La casa de diseño de chips para teléfonos inteligentes MediaTek solo elogió a Taiwan Semiconductor Manufacturing Company en una presentación en el reciente simposio tecnológico del fabricante de chips por contrato más grande del mundo. El éxito del último procesador insignia de MediaTek “se basa en el trabajo que nuestros socios de TSMC han realizado junto con nosotros”, dijo.
Pero el director ejecutivo de TSMC, CC Wei, hizo una mueca cuando la presentación mostró que su mayor miniaturización del chip, para crear circuitos de alrededor de 4 mil millonésimas de metro de ancho, solo había producido un aumento del 2 por ciento en el rendimiento.
«Cuando vi [that]Casi me caigo de la silla”, dijo Wei.
Los fabricantes de chips se enfrentan a las leyes de la física en su esfuerzo por hacer que los semiconductores sean cada vez más rápidos y más eficientes energéticamente, a fin de permitir aplicaciones en rápida evolución, desde juegos de alta gama en teléfonos inteligentes hasta servidores que se utilizan para la simulación del cambio climático.
Setenta y cinco años después de la invención del transistor, un interruptor que controla la corriente eléctrica y forma el corazón de cada semiconductor, el principio de que la cantidad de transistores empaquetados en cada chip se duplicará aproximadamente cada dos años, lo que permite un crecimiento explosivo de la potencia informática, se está desmoronando Reducirlos se está volviendo demasiado difícil.
“Solo confiar en los transistores ya no es suficiente para satisfacer nuestras demandas actuales y para satisfacer [the requirements of] los productos que diseñas”, dijo Wei a una audiencia de clientes de TSMC.
En 1965, Gordon Moore, cofundador de Fairchild Semiconductor y más tarde de Intel, observó que la cantidad de transistores por chip se duplicaba aproximadamente cada 24 meses y predijo un crecimiento exponencial para la próxima década. La llamada Ley de Moore se mantuvo vigente durante mucho más tiempo de lo que había previsto su inventor (un dispositivo IC puede contener hasta 100 mil millones de transistores en la actualidad, según TSMC), pero ahora está llegando a un límite.
Este desafío de encontrar alternativas técnicas está haciendo que la competencia entre los principales fabricantes de chips del mundo sea más impredecible, aunque, por ahora, TSMC tiene una clara ventaja en tecnología de fabricación.
Su modelo de negocio de fundición de fabricar únicamente semiconductores según los diseños de otras empresas le ha ayudado a captar más de la mitad del mercado mundial de chips hechos a medida, con más de 12 000 productos diferentes fabricados y estrechas relaciones de ingeniería con más de 500 clientes.
Anteriormente, Intel desperdició su liderazgo en fabricación sobre TSMC con una serie de pasos en falso en sus últimas dos transiciones de nodos de proceso, y ahora se calcula que lleva unos dos años de retraso. Pero los analistas dicen que eso podría cambiar, especialmente porque los gobiernos de EE. UU. a Japón están presionando a los fabricantes de chips para que localicen la producción con grandes subsidios que podrían favorecer a Intel y al otro principal rival de TSMC, Samsung.
“[TSMC] podría tropezar. A medida que se vuelve más difícil pasar al siguiente nodo tecnológico, cualquiera podría tropezar”, dijo Chris Miller, un historiador económico de la Universidad de Tufts que ha escrito un libro sobre la historia de la industria de los chips. «O, si las próximas dos transiciones de nodos de tecnología de procesos son más difíciles de lo que esperamos, la ventaja de TSMC podría volverse menos significativa».
Los fabricantes de chips han luchado con éxito contra la ralentización de la Ley de Moore durante más de una década. Cuando empaquetaron más transistores tuvieron problemas, comenzaron a apilarlos uno encima del otro. También están empaquetando diferentes chips juntos en una sola pieza de silicio, en lugar de en una placa base de PC: TSMC utiliza esta tecnología de paquete de matriz múltiple para hacer Epyc, el procesador del centro de datos de AMD.
Pero ahora, la industria se ve obligada a buscar otras mejoras. Dado que el llamado proceso FinFET utilizado durante la última década ya no puede ofrecer suficientes ganancias en velocidad y potencia, está adoptando una nueva arquitectura de transistores.
A partir de N2, la generación de chips que TSMC planea producir en masa a partir de 2025, utilizará una tecnología que llama Nanosheet y que también se conoce como Gate-All-Around (GAA).
Bajo esa arquitectura, la puerta del transistor, que controla el flujo de electricidad a través de los canales del circuito, rodea completamente los canales en lugar de estar en tres lados, como en la solución anterior. Esto maximiza la superficie y «permite que el dispositivo funcione con un voltaje muy bajo y brinde ganancias de eficiencia energética», dijo Kevin Zhang, vicepresidente de TSMC.
Sin embargo, la transición está resultando difícil. Samsung, que trató de ser pionera en GAA en la generación N3, ha tenido problemas para aumentar su rendimiento: la proporción de chips no defectuosos que se producen. Comenzó la producción en masa en junio en N3, justo antes de TSMC, que comenzará la producción en volumen antes de fin de año.
El problema de rendimiento de Samsung está dificultando atraer grandes clientes para la producción de chips de última generación. Los analistas no esperan que su adopción anterior de GAA lo ayude a ponerse al día con TSMC en el corto plazo, pero dijeron que podría atraer a grandes clientes como Google y Tesla una vez que presente un proceso GAA N3 de segunda generación el próximo año y asegure un rendimiento estable.
Los ejecutivos de TSMC indicaron que su decisión de seguir con la arquitectura anterior en N3 está dando sus frutos. “Nos permitió llevar N3 al mercado más rápido”, dijo Zhang. La compañía dijo que está logrando «buenos rendimientos», y la demanda de N3 por parte de los clientes es tan fuerte que está ejerciendo presión sobre su capacidad de ingeniería. TSMC tiene compromisos de Apple, Intel, AMD y varios otros clientes para N3.
Mientras tanto, Intel ha establecido un objetivo ambicioso de igualar la tecnología de procesos de TSMC para 2024 y superarla un año después, aunque la caída continua en el precio de sus acciones muestra que Wall Street aún no está convencido de que pueda corregir sus pasos en falso anteriores y ponerse al día con La tecnología precipitada de TSMC avanza para entonces. El fabricante de chips de EE. UU. planea hacer un cambio tardío al equipo de fabricación EUV más avanzado el próximo año y adoptar su propia versión de GAA en 2024, para producir un chip con características de 2 nm de ancho.
Pero por mucho que TSMC confíe en su posición de liderazgo ahora, se avecinan desafíos aún mayores en el futuro. Los fabricantes de chips esperan que las herramientas y los materiales clave utilizados para fabricar semiconductores durante décadas deban cambiarse significativamente o incluso reemplazarse en poco tiempo y, finalmente, los días del propio silicio, el material base de la industria desde su creación, estarán contados.