Clara González Martín
Coordinadora del GT de Microelectrónica y Semiconductores del COIT. Ingeniera de Telecomunicación. Intel Corporation.
La (r)evolución del silicio
Las fábricas de semiconductores o foundries desempeñan un papel crucial en la industria de los semiconductores. Allí se producen los chips, esos pequeños circuitos integrados que se han convertido en una necesidad básica de la sociedad actual. La posesión de estas fábricas es un objetivo estratégico para las distintas regiones del mundo, ya que son el primer paso para garantizar su soberanía tecnológica.
Desde hace décadas, la lucha por el liderazgo en capacidad de cómputo se ha centrado en reducir el tamaño de los componentes de un chip para hacerlos más portables, más baratos y sobre todo capaces de procesar software más complejo.
En su día, comparábamos el desempeño de las CPU (Central Processing Units) de nuestros ordenadores en función de los GHz que alcanzaban, pero pronto empezamos a multiplicar su capacidad añadiendo más núcleos o cores. Aumentar la capacidad de computación sin agrandar el tamaño del chip no es sencillo…
Actualmente hablamos de nodos en escalas nanométricas -algunos proveedores hablan ya incluso de angstroms-. Y es que, aunque hoy en día los chips no son más grandes que una uña, parece que fue ayer (hace menos de 100 años) cuando los primeros ordenadores ocupaban varias habitaciones, pesaban toneladas y sus procesadores ni siquiera funcionaban con transistores, sino con válvulas de vacío.
Por ejemplificarlo con un procesador conocido, un Pentium 2 de Intel en 1997 estaba fabricado en nodos de 350 nm, tenía un solo núcleo y 7,5 millones de transistores. Actualmente un Intel Xeon está en nodos de 3 nm, puede alcanzar centenas de núcleos y contiene cientos de miles de millones de transistores… Eso es más que el número de neuronas que tenemos en nuestro cerebro.
More than Moore
Hasta ahora parecía que la Ley de Moore, que predice que el número de transistores que se pueden colocar en un circuito integrado se duplica aproximadamente cada dos años, se ha mantenido como una predicción precisa del crecimiento de la potencia de procesamiento. Pero ¿qué pasará cuando nos acerquemos a los límites físicos de la miniaturización de los transistores? Las incertidumbres cuánticas, junto a otros desafíos como la disipación de calor, están empujando a explorar nuevas tecnologías, como circuitos integrados fotónicos, uso de técnicas de empaquetado avanzadas o nuevos materiales, entre otros.
Pequeños pero matones
Que su tamaño no nos engañe… Aunque pequeños, su proceso de fabricación es extremadamente complejo. El primer paso consiste en la creación de las obleas a través de silicio, obtenido principalmente de la arena. El silicio metalúrgico se purifica y se funde, para obtener un lingote cilíndrico cristalográficamente perfecto (monocristalino)1 que se cortará en obleas o wafers. Y será una vez preparadas (lapeado de caras, biselado de bordes…) cuando pasen a la sala blanca.
La sala blanca (clean room) es un entorno extremadamente controlado: temperatura, humedad, presión, luz… Todo el aire que entra en una sala blanca es filtrado para eliminar las partículas en suspensión que pueden dañar el proceso de fabricación de la oblea, como el polvo, e incluso se renueva varias veces al día.
Hasta los típicos trajes blancos ‘de astronauta’ que viste el personal de las salas blancas (técnicamente llamados los bunny suits) están diseñados para evitar la liberación de partículas y la acumulación de electricidad estática.
Allí tiene lugar, entre otros, el proceso de fotolitografía: los ingenieros mandan el diseño de cada una de las capas de los microprocesadores en forma de máscaras o masks, y estos serán plasmados en los wafers de silicio en lo que llamamos ´revelado de la oblea´, que consiste en exponer a ésta a una fuente de luz, pero interponiendo la máscara entre la fuente de luz y la oblea.
La máquina capaz de llevar a cabo este proceso es extremadamente sofisticada y cara. Quizá por ello ASML, empresa neerlandesa líder en aprovisionamiento de máquinas de fotolitografía (Ultraviolet Equipment, UVE), no tenga prácticamente competencia.
Y es que grabar patrones de nodos de menos de 5 nm, no es nada fácil: su precio es 350 millones de euros y requiere de 250 ingenieros simplemente para su ensamblaje y puesta en marcha2. Buenas noticias para Europa porque la empresa ASML está aquí; no tan buenas para el mundo entero depender prácticamente de una empresa para producir los chips de alta gama de todo el planeta.
Se dice que un chip cruza fronteras internacionales 70 veces antes de llegar al cliente final
Posteriormente irán a centros dedicados a la extracción de los cientos de chips que hay en cada oblea para darle la bonita forma con la que los conocemos. De ahí viajarán a plantas de prueba y ensamblaje, y luego se empaquetarán para su protección y conexión con otros componentes. La etapa final es el warehousing, centros de logística por todo el mundo que envían las unidades de procesamiento.
Se dice que un chip cruza fronteras internacionales 70 veces antes de llegar al cliente final…3 Y es que la compleja vuelta al mundo de estos pequeños tarda, por lo menos, lo que tardó Phileas Fogg.
Occidente mira a oriente
Como se suele decir, es en momentos de crisis cuando realmente conoces a tus vecinos, y no fue hasta la pandemia, cuando se disparó la demanda de tecnología, que el mundo entero se percató de la gran dependencia con Asia para la fabricación de chips, pues actualmente dicho continente concentra un 80% de la fabricación mundial. Esto es peligroso: ya vivimos aumentos exagerados de precio, así como desabastecimiento en dispositivos básicos. Recordemos que los chips están en los coches, en la maquinaria sanitaria…
La forma más obvia de balancear más equitativamente la fabricación de chips hacia occidente sería construyendo más fábricas, pero esto no es tan sencillo, empezando por la gran inversión de capital que requiere: se estima que construir una fábrica de chips de alta tecnología (es decir, de nodos tecnológicos CMOS de menos de 5 nm) cuesta en torno a 20.000 millones de euros.
Se estima que construir una fábrica de chips de alta tecnología (es decir, de nodos tecnológicos CMOS de menos de 5 nm) cuesta en torno a 20.000 millones de euros
No obstante, su tremenda importancia ha hecho de la fabricación de semiconductores una ´batalla´ geopolítica clave donde cada área del Planeta intenta imponer su soberanía, y así evitar las consecuencias de las dependencias que ya vivimos en el pasado. Por ello, entre 2023 y 2025 se han iniciado 70 nuevos proyectos de construcción de fábricas en el mundo -no solo de alta tecnología-, que ya sumamos a las 92 que iniciaron su construcción entre 2020 y 20224.
El gran reto para occidente es que, para todas las grandes empresas de chips, el mercado de consumo chino es un cliente mucho más importante que el propio gobierno estadounidense. Ya lo explica muy bien Chris Miller en su libro Chip War: “Our fundamental problem is that our number one customer is our number one competitor.”
Desafíos en nuestro territorio
Las foundries permiten a las empresas de diseño (fabless) llevar sus productos al mercado sin tener que invertir en costosas instalaciones de fabricación. Y este es sin duda el segmento más representativo de la industria española de microelectrónica.
Hoy en día, no existe ninguna fábrica en España de nodos tecnológicos avanzados, solo laboratorios de fabricación de circuitos integrados fotónicos5. Es Alemania quien se impone en Europa albergando el 62,5% de todos los nuevos proyectos de microchips de la UE, como por ejemplo una fábrica de TSMC y Bosch en Dresde.
Las estrictas regulaciones europeas no lo ponen fácil, por ejemplo respecto al consumo de recursos naturales de estos proyectos: sólo un chip requiere 140 litros de agua ultrapura, por lo que una oblea requiere 48.000 litros6. Y cada foundry produce cientos de miles de wafers al mes… Además de agua, aumentar la capacidad de computación plantea otros retos como la eficiencia energética o el uso responsable de productos químicos.
Y es que aunque en la era de la Inteligencia Artificial, se suele decir que los datos son el nuevo petróleo, la verdadera limitación a la que nos enfrentamos no es la disponibilidad de datos, sino la capacidad de procesarlos
Sólo con incrementos de productividad ayudados por la IA se pueden compensar los costes mayores de fabricación en Europa respecto a Asia, algo que desde un punto de vista de una mayor autonomía industrial (y de defensa) resulta vital.
Incumbente contra emergente
Estados Unidos todavía sigue dominando en el diseño de los chips de silicio que dieron a Silicon Valley su nombre, aunque su posición se haya debilitado peligrosamente. China ahora gasta más dinero en importar chips que en petróleo. Y es que, aunque en la era de la IA se suele decir que los datos son el nuevo petróleo, la verdadera limitación a la que nos enfrentamos no es la disponibilidad de datos, sino la capacidad de procesarlos.
Referencias
1 “Pasos para fabricar un chip como una pizza familiar”, Luis Antonio Fonseca, 2024
2 Geeknetic, Juan Antonio Soto, 2024
3 “Service Semiconductors supply chain”, 2022 . Disponible en: https://epthinktank.eu/2022/01/11/ten-issues-to-watch-in-2022/semiconductors-supply-chain_twitter_map/
4 “World Fab Forecast Report”, SEMI Market Symposium, July 2024
5 Estrategia de Microelectrónica en España, AMETIC
6 https://www.profesionalreview.com/2023/07/08/foundry-semiconductores/amp/
