Los nanómetros ya no son lo que eran. Cuando las micras les dieron paso a mediados de la década de los 2000 y los fabricantes de procesadores comenzaron a utilizarlos para identificar la tecnología de integración que estaban empleando los usuarios teníamos algo tangible a lo que aferrarnos. Durante esos primeros años los nanómetros eran una medida razonablemente fiel de la longitud de las puertas lógicas, como lo eran las micras antes, por lo que podían ser utilizados como referencia para comparar la sofisticación de los nodos litográficos.
Sin embargo, hace muchos años que este parámetro ha perdido buena parte de su utilidad para los usuarios. Y lo ha hecho porque los fabricantes de semiconductores han comenzado a utilizarlo como una argucia de marketing. Los nanómetros ya no reflejan fielmente la longitud de las puertas lógicas u otro parámetro físico, como la distancia entre los transistores. Cada fabricante de chips los maneja con mucha libertad, lo que a los usuarios nos impide comparar directamente las litografías que intentan "vendernos".
En julio de 2022 mi compañero Enrique publicó un artículo muy interesante en el que explica con mucho detalle por qué no todos los nanómetros son iguales y por qué razón se ha producido una desconexión casi absoluta entre la nomenclatura y la realidad física de los circuitos integrados. Os sugiero que le echéis un vistazo si aún no lo habéis leído.
El leitmotiv de este artículo es esencialmente el mismo, pero os propongo abordarlo desde una perspectiva diferente. ASML, la empresa neerlandesa que fabrica los equipos de litografía más avanzados del planeta, tiene mucho que decir en este ámbito y puede ayudarnos a entender qué parámetros deberían entregarnos los fabricantes de chips para comparar sus tecnologías de integración.
La dimensión crítica lo es todo
Los ingenieros de ASML tienen una biblia. Es una ecuación, y se la conoce como criterio de Rayleigh. Para ellos la importancia de esta fórmula reside en su capacidad de describir con precisión cuáles son los parámetros que condicionan el desarrollo de la tecnología de integración. Ni más ni menos. Y entre todos ellos hay uno que destaca por encima de todos los demás porque identifica claramente la sofisticación de un nodo litográfico en particular: la dimensión crítica. Aquí tenéis la ecuación conocida como criterio de Rayleigh:
La dimensión crítica identifica en qué medida es posible miniaturizar los componentes que conforman un circuito integrado
A bote pronto parece una fórmula complicada, pero, en realidad, no lo es tanto si conocemos qué representa cada uno de los términos de la ecuación. El primero de ellos, 'CD', procede de la expresión inglesa critical dimension, e identifica en qué medida es posible miniaturizar los componentes que conforman un circuito integrado. Este es el parámetro que los fabricantes de semiconductores quieren reducir a toda costa. De hecho, todos ellos, y en especial ASML, dedican una cantidad ingente de recursos al desarrollo de las tecnologías que permiten refinar la dimensión crítica, lo que nos invita a echar un vistazo a la expresión que tenemos en la parte derecha de la igualdad matemática.
El factor 'k₁' es un coeficiente que está delimitado por los parámetros físicos que condicionan el proceso de fabricación de semiconductores. Lo que nos interesa tener en cuenta es que el límite físico que impone la fotolitografía del silicio es 'k₁ = 0,25', por lo que, como podemos intuir, los fabricantes hacen todo lo que está en su mano para refinar su tecnología y aproximar este coeficiente tanto como sea posible a este valor límite.
Cada paso requiere poner a punto nuevos equipos litográficos, nuevas fuentes de luz, nuevos elementos ópticos, nuevos materiales fotorresistentes y un nuevo procedimiento de fabricación
El siguiente parámetro, identificado por la letra griega lambda ('λ'), nos indica cuál es la longitud de onda de la luz utilizada en el proceso de fabricación de los semiconductores. Uno de los desafíos más importantes a los que se enfrentan las compañías de las que estamos hablando consiste, precisamente, en reducir la longitud de onda de la luz para, así, incrementar la resolución del proceso fotolitográfico.
No obstante, cada paso hacia delante que dan en este camino requiere poner a punto nuevos equipos litográficos, nuevas fuentes de luz (generalmente se utiliza luz ultravioleta), nuevos elementos ópticos, nuevos materiales fotorresistentes, y también un nuevo procedimiento de fabricación. En definitiva, cada vez que una planta reduce la longitud de onda de la luz que proyecta sobre sus obleas se ve obligada a cambiar la mayor parte de su equipamiento y su proceso de fabricación.
El último ingrediente de la receta en el que nos interesa indagar es el parámetro 'NA' (numerical aperture), que identifica el valor de apertura de la óptica utilizada por el equipo litográfico. En este contexto este parámetro refleja esencialmente lo mismo que el valor de apertura cuando hablamos de la óptica de una cámara de fotos, por lo que condiciona la cantidad de luz que los elementos ópticos son capaces de recoger. Como podemos intuir, cuanta más luz recaben, mejor.
Los fabricantes de chips deberían describir sus tecnologías de integración recurriendo a un parámetro objetivo que a los usuarios nos resultase útil
La conclusión a la que podemos llegar después de analizar la información que nos entrega el criterio de Rayleigh es que para incrementar la resolución de su proceso fotolitográfico los fabricantes de semiconductores se ven obligados a refinar los tres parámetros que coexisten en la expresión de la parte derecha de la ecuación.
Cuando TSMC, Intel, Samsung o GlobalFoundries, entre otros fabricantes de chips, anuncian que tienen a punto una nueva tecnología de integración lo que nos están diciendo entre líneas es que han conseguido reducir la longitud de onda de la luz que utilizan en sus procesos litográficos, refinar sus elementos ópticos para incrementar su capacidad de recoger luz, y posiblemente también que han logrado acercarse un poco más al límite físico que impone la fotolitografía del silicio. A ese 'k₁ = 0,25'.
Lo ideal sería que dejasen de hablar de nanómetros o ángstroms y empezasen a describir sus tecnologías de integración recurriendo a un parámetro objetivo que a los usuarios nos resultase útil para intuir su sofisticación. La dimensión crítica es una buena candidata a asumir este rol, pero a medio plazo parece poco probable que los fabricantes de chips vayan a darle la visibilidad que merece. Seguiremos con los nanómetros y los ángstroms, pero los usuarios tenemos buenas razones para tomar distancia y no pasar por alto que, en realidad, estas unidades están desconectadas de la realidad física de los semiconductores.
Imagen de portada: TSMC
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