El diámetro de un cabello humano es de 70,000 nanómetros y su circunferencia de 220,000 nanómetros. Fabricar chips mediante un proceso de 5 nanómetros es como construir 44,000 carreteras a lo largo de un cabello.

Autor: Liu Zhirong Fuente: Titular@Iron Tower-Liu Zhirong

El 15 de mayo de 2020, Estados Unidos prohibió los chips de Huawei. Desde entonces, estos chips han atraído la atención del público chino. La prohibición entró en vigor el 15 de septiembre. Fabricantes de chips de renombre mundial como TSMC, MediaTek, Qualcomm, Sony, Samsung, SK Hynix y Micron ya no pueden suministrar chips a Huawei. El 16 de septiembre, la Comisión Central de Inspección Disciplinaria publicó un artículo en su sitio web oficial en el que afirmaba que "la interrupción del suministro de chips a Huawei podría ser el comienzo del auge de la industria china de chips".

Hablamos de patatas fritas todos los días, pero ¿sabes qué es una patata frita?

1. ¿Cómo ha cambiado la vida humana la invención del chip?

El 23 de diciembre de 1947, tres científicos de los Laboratorios Bell en Estados Unidos, John Baden, William Shockley y Walter Bratton, inventaron el transistor de cristal de germanio, marcando el comienzo de la era de los semiconductores en el mundo de la electrónica. Los tres inventores del transistor ganaron el Premio Nobel de Física en 1956.

La década de 1950 fue la época dorada de los semiconductores. Casi todos los materiales semiconductores y los procesos básicos se desarrollaron durante este período.

El 18 de octubre de 1954, Texas Instruments inventó la radio de transistores. Esta radio, con cuatro transistores, era lo suficientemente pequeña como para caber en un bolsillo.

El 12 de septiembre de 1958, el ingeniero electrónico de Texas Instruments, Jack Kilby (1923-2005), inventó el circuito integrado y, en 1959, logró producir con éxito el primer circuito integrado del mundo: un chip. Este circuito integrado consistía en grabar transistores PNP, resistencias y condensadores en un chip de germanio, y utilizar cables externos para conectarlos y formar un circuito. Este sencillo circuito integrado impulsó la industria de los chips, llevó la ciencia y la tecnología a un nuevo nivel y transformó por completo la forma de vida humana.

El continuo avance de la tecnología de fabricación de chips ha reducido drásticamente el precio de un solo transistor. En 1959, un chip contenía 6 transistores, lo que equivalía a 10 dólares por transistor; en 1971, contenía 2,000 transistores, lo que equivalía a 0.3 dólares por transistor; en 2004, los chips contenían decenas de miles de millones de transistores, y el precio de un solo transistor se redujo a una milmillonésima parte de un dólar. La mejora en la relación costo-beneficio de los chips ha hecho posible que estos lleguen a los hogares de la gente común.

Se puede decir que el chip es el mayor invento del siglo XX, y muchos otros inventos también se basan en él. Hoy vivimos en un mundo rodeado de chips, y sería difícil desenvolvernos sin ellos.

La vida cotidiana de las personas está estrechamente ligada a los chips. Dispositivos inteligentes como teléfonos móviles, ordenadores y relojes inteligentes contienen chips. Equipos de red como módems ópticos, routers, memorias USB, tarjetas de memoria y discos duros portátiles también los contienen. Hay chips en equipos de red y periféricos informáticos. Documentos de identidad, pasaportes, tarjetas bancarias, tarjetas de compra, tarjetas de consumo y otros documentos de identificación personal también los incluyen. Televisores, altavoces, proyectores, cargadores, luces LED, básculas electrónicas, aires acondicionados, frigoríficos, hornos microondas, placas de inducción, calentadores de agua y otros electrodomésticos también los contienen. El control de acceso, la monitorización, las células solares, etc., también necesitan chips. Si alguien inventara un código que desactivara todos los chips del mundo, la vida humana se paralizaría.

Jack Kilby ganó el Premio Nobel de Física en el año 2000 por inventar el chip. También inventó la calculadora de bolsillo y la impresora térmica. Cuando lo llamaban científico, Kilby respondía con modestia: «Un científico es alguien que explica las cosas y debe tener grandes ideas; yo soy un solucionador de problemas, un ingeniero. Mi deber es inventar nuevos procesos, fabricar nuevos productos y ganar dinero con mis inventos y creaciones».

2. Para entender el chip, primero debes entender la "unión PN".

Como se puede observar, los componentes electrónicos como diodos, transistores, resistencias y condensadores se fabrican con materiales semiconductores y se conectan mediante cables. Esto constituye un circuito integrado, también llamado chip. Para comprender los chips, primero es necesario entender la unión PN, que es la base de la tecnología de semiconductores.

Cuando un material semiconductor se dopa con un elemento pentavalente, la concentración de electrones aumenta, formando un semiconductor de tipo N; cuando se dopa con un elemento trivalente, la concentración de huecos aumenta, formando un semiconductor de tipo P. El término "hueco" se refiere a la vacante que queda en el enlace covalente después de que los electrones de dicho enlace ganan energía y se liberan de sus ataduras para convertirse en electrones libres.

Cuando el semiconductor de tipo P y el semiconductor de tipo N entran en contacto, los electrones con carga negativa y los huecos con carga positiva se difunden entre sí. Esta difusión genera un campo eléctrico interno en la superficie de contacto, el cual impide que los electrones y los huecos retrocedan. Al alcanzar un equilibrio dinámico entre la velocidad de difusión y la velocidad de deriva de los electrones y los huecos, se forma una unión PN en la superficie de contacto entre ambos semiconductores.

La principal característica de la unión PN es su conductividad única. Si el semiconductor de tipo P se utiliza como electrodo positivo y el de tipo N como electrodo negativo, la corriente puede circular a través de la unión PN; si el semiconductor de tipo N se utiliza como electrodo positivo y el de tipo P como electrodo negativo, la corriente no puede circular a través de la unión PN. El uso de bits binarios en las computadoras está determinado por el comportamiento de la unión PN. La corriente que circula a través de la unión PN representa un "1", y la que no circula representa un "0".

La unión PN es un diodo. Si dos semiconductores de tipo P rodean un semiconductor de tipo N, se forma un triodo, que es el triodo de tipo PNP mencionado anteriormente. Por supuesto, si hay un semiconductor de tipo P entre dos semiconductores de tipo N, se convierte en un transistor de tipo NPN.

La gente común no puede ver el interior del chip. El chip es tan pequeño como una mota de caspa y tan grande como una uña. Debido a su delgadez, debe estar encapsulado en una carcasa sellada antes de poder conectarse a un circuito externo. Al abrir una computadora, un televisor u otro aparato eléctrico, se puede ver una gran placa de circuitos. Esta placa contiene numerosos componentes electrónicos. Los componentes electrónicos con múltiples pines son chips. Estos pines están conectados a los terminales de entrada y salida del chip. Algunos se encuentran en ambos lados del encapsulado, otros en los cuatro lados y otros están dispuestos en una matriz en la parte inferior, con más de 1,000 pines densamente empaquetados.

3. ¿Hacer patatas fritas es como esculpir la tierra y todos los edificios de carreteras en un grano de arroz?

Hay un concepto que conviene mencionar: la Ley de Moore. En 1965, Gordon Moore, cofundador del mundialmente famoso fabricante de chips Intel Corporation, propuso que el número de transistores en un solo chip se duplicaría cada año. Posteriormente, corrigió esta predicción a una duplicación cada dos años. Esta afirmación se ha comprobado en la práctica. En 2011, un chip Intel Core i7 contenía 2.27 millones de transistores. Actualmente, algunos chips de gama alta superan las decenas de miles de millones de transistores. Hace unos años, el chip de IA WSE, fabricado por Cerebras Systems con la tecnología de proceso de 16 nm de TSMC, integraba 1.2 billones de transistores.

El término "proceso" se refiere al ancho de la puerta del transistor en el chip, que generalmente podemos entender como el tamaño del transistor. Cuanto menor sea el proceso, más transistores se pueden fabricar en un solo chip y mayor será el tamaño del circuito integrado.

La velocidad de procesamiento de los chips sigue aumentando gracias a su creciente integración. Cuanto mayor es el nivel de integración del chip, más pequeños son sus componentes electrónicos y más cortos son los cables que los conectan. Esto reduce el tiempo de paso de la corriente, disminuye el consumo de energía y acelera la velocidad de procesamiento.

Existen tres maneras de aumentar el número de transistores en un chip. Una es incrementar su superficie, otra es reducir el tamaño de los transistores y la tercera es diseñar un circuito integrado tridimensional. Generalmente, no se considera aumentar la superficie del chip, ya que esto incrementaría el consumo de energía y reduciría su eficiencia. Actualmente, se recurre principalmente a los dos últimos métodos para aumentar el número de transistores en un chip.

La fabricación de chips pertenece al mundo microscópico, y sus componentes electrónicos son tan pequeños como unos pocos átomos o moléculas, y se miden en unidades aún más pequeñas: nanómetros y angstroms. La escala más pequeña en una regla común son los milímetros; 1 milímetro equivale a 1000 micras, 1 micra a 1000 nanómetros y 1 nanómetro a 10 angstroms. El diámetro de un cabello humano es de 70 000 nanómetros y su circunferencia de 220 000 nanómetros. Fabricar chips mediante un proceso de 5 nanómetros es como construir 44 000 caminos a lo largo de un cabello.

Existe un límite para reducir el tamaño de los componentes electrónicos, por lo que se recurre a la construcción de circuitos integrados multicapa en un solo chip para aumentar el número de transistores. Esto es similar a la construcción de edificios residenciales. Una casa de una sola planta puede albergar a un número reducido de residentes, mientras que un edificio con decenas de plantas puede albergar a un gran número de personas. El apilamiento de circuitos integrados es mucho más complejo que la construcción de un edificio. La disposición de cada planta es la misma, pero los circuitos de cada capa del chip son diferentes, y las conexiones entre capas son extremadamente complejas.

Llevemos esta metáfora un paso más allá: fabricar chips es como esculpir un planeta entero en un grano de arroz, y todas las carreteras y edificios de ese planeta deben ser esculpidos. Las carreteras son los cables del chip, y los edificios, los componentes electrónicos. Mediante esta metáfora, los lectores pueden imaginar lo complejo y difícil que debe ser fabricar chips.

4. La purificación del silicio es la base de la industria de los chips.

Existen muchos materiales semiconductores, pero en aplicaciones prácticas, más del 90% de ellos utilizan silicio, ya que su punto de fusión es de 1415 grados Celsius, lo que permite procesos de alta temperatura en la fabricación de chips.

El silicio se obtiene mediante fundición de arena, pero para fundir arena y convertirla en silicio apto para la fabricación de chips se requiere una pureza extremadamente alta. Llamamos oro al que tiene una pureza del 99.99% (cuatro nueves), pero la pureza del silicio utilizado para fabricar chips debe alcanzar al menos once nueves; es decir, no debe haber más de un átomo de impureza por cada mil millones de átomos de silicio. El silicio con esta pureza fue refinado por los Laboratorios Bell en Estados Unidos en 1955. Actualmente, un chip contiene cientos de miles de millones de componentes electrónicos, y los requisitos de pureza para el silicio son aún mayores, al menos trece nueves. Esta es la base de la fabricación de chips. ¡Sin dominar la tecnología de purificación del silicio, es imposible crear un chip!

Los lectores podrían preguntarse: ¿por qué se requiere silicio tan puro para fabricar chips? Los componentes electrónicos del chip son muy pequeños. Si el chip se fabrica mediante un proceso de 5 nanómetros, impurezas de 1 nanómetro lo destruirán por completo. Pongamos un ejemplo: si una carretera tiene 40 metros de ancho y hay una piedra grande de 1 metro de ancho en medio, los coches pueden esquivarla sin causar atascos. Sin embargo, si la carretera tiene solo 5 metros de ancho y hay una piedra grande de 1 metro de ancho en medio, los coches no podrán esquivarla y la carretera quedará bloqueada.

Por lo tanto, la fabricación de chips no solo requiere silicio de alta pureza, sino también que todo el proceso se realice en un entorno libre de polvo. Su pureza es 100 000 veces superior a la de un quirófano, e incluso la mitad del proceso se lleva a cabo en vacío. Gracias a esto, las plantas de fabricación de chips no necesitan cerrar durante la pandemia de COVID-19, ya que los trabajadores están protegidos de pies a cabeza, y algunos trajes protectores incluso incorporan sistemas respiratorios para evitar la contaminación de los chips por el metabolismo humano y los gases exhalados.

5. ¿La máquina de litografía es en realidad un proyector de circuitos integrados??

El término «máquina de litografía» está mal traducido y resulta muy engañoso. Mucha gente cree erróneamente que la máquina de litografía «graba» circuitos integrados en la superficie del silicio cristalino mediante contacto físico, como si fuera un grabador informático. En realidad, el chip no se «graba», sino que se «fotografía». Por lo tanto, es más apropiado llamar a la máquina de litografía «proyector de circuitos integrados».

Cuando la oblea para la fabricación del chip entra en la etapa de fotolitografía, la máquina de fotolitografía proyecta el patrón del circuito integrado sobre la fotorresina en la superficie de la oblea a través de la máscara. Después de la exposición de la fotorresina, el área expuesta se graba con un líquido químico y luego se limpia. De esta manera, se obtiene el patrón del circuito integrado. El proceso de fotolitografía es similar al de la fotografía tradicional. La luz atraviesa el negativo para sensibilizar el papel fotográfico, que luego se revela y se fija en una solución química.

Un chip necesita pasar por docenas o incluso cientos de procesos de fotolitografía, y varios procesos posteriores a la fotolitografía tardarán varias semanas antes de que pueda entrar en la etapa de empaquetado.

La tecnología de fabricación de chips evoluciona día a día, pero la mayoría de las tecnologías fundamentales para su fabricación provienen de Bell Labs. La contribución de Bell Labs a la revolución de la tecnología de la información quedará grabada para siempre en la historia.

7. ¿Puedo fabricar chips si tengo una máquina de fotolitografía?

Muchos lectores están muy interesados ​​en las máquinas de fotolitografía y creen que con ellas se pueden fabricar chips. Sin embargo, esto no es cierto. Si bien la máquina de fotolitografía desempeña un papel importante en la fabricación de chips, es solo uno de los más de 1,000 procesos involucrados. Incluso sin dominar los demás procesos, no es posible fabricar un chip.

En 1961, la empresa estadounidense GCA fabricó la primera máquina de fotolitografía del mundo. Actualmente, existen 7 empresas en 4 países que fabrican máquinas de litografía: Asmaier en los Países Bajos, Intel, Super Technology Semiconductor y Rudolf en Estados Unidos, Nikon y Canon en Japón, y SusiMicro en Alemania.

Como se mencionó anteriormente, la base de la industria de los chips son los materiales, es decir, la purificación del silicio. Sin dominar la tecnología de purificación del silicio, es imposible producir silicio cristalino con la pureza necesaria para la fabricación de chips, y es imposible fabricar chips.

Además, el chip contiene cientos de miles de millones de componentes electrónicos. Un circuito tan grande no se puede diseñar manualmente. Es necesario utilizar software de automatización del diseño electrónico (EDA). EDA es una aplicación integral de diversas disciplinas y su mercado está monopolizado por tres empresas estadounidenses: Kadant, Synopsys y Mentor Graphics.

El diseño electrónico asistido por ordenador (EDA) desempeña un papel fundamental en el proceso de fabricación de chips. La funcionalidad e integración del chip dependen completamente de las capacidades de diseño del EDA. Incluso con silicio de alta pureza y equipos de fotolitografía, si no se dispone de EDA o no se sabe cómo utilizarlo, no se puede fabricar un chip.

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