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El gran esfuerzo para producir un microchip diminuto

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Escrito por Don Clark

Algunos cuentan con más de 50 mil millones de pequeños transistores que son 10 000 veces más pequeños que el ancho de un cabello humano. Se fabrican en pisos de fábrica gigantescos y ultralimpios que pueden tener siete pisos de altura y tener la longitud de cuatro campos de fútbol.

Los microchips son, en muchos sentidos, el elemento vital de la economía moderna. Alimentan computadoras, teléfonos inteligentes, automóviles, electrodomésticos y muchos otros dispositivos electrónicos. Pero la demanda mundial de ellos ha aumentado desde la pandemia, que también provocó interrupciones en la cadena de suministro, lo que resultó en una escasez mundial.

Eso, a su vez, está alimentando la inflación y generando alarmas de que Estados Unidos se está volviendo demasiado dependiente de los chips fabricados en el extranjero. Estados Unidos representa solo alrededor del 12% de la capacidad mundial de fabricación de semiconductores; más del 90% de los chips más avanzados provienen de Taiwán.

Una de las máquinas utilizadas para grabar materiales de obleas de silicio como microchips se fabrica en el complejo de Intel en Chandler, Arizona, el 17 de noviembre de 2021. (Philip Cheung/The New York Times)

Intel, un titán de Silicon Valley que busca restaurar su liderazgo de larga data en la tecnología de fabricación de chips, está haciendo una apuesta de $ 20 mil millones para ayudar a aliviar el déficit de chips. Está construyendo dos fábricas en su complejo de fabricación de chips en Chandler, Arizona, que tardará tres años en completarse, y recientemente anunció planes para una expansión potencialmente mayor, con nuevos sitios en New Albany, Ohio y Magdeburg, Alemania.

¿Por qué hacer millones de estos diminutos componentes significa construir y gastar tanto? Una mirada al interior de las plantas de producción de Intel en Chandler y Hillsboro, Oregón, ofrece algunas respuestas.

que hacen las fichas

Los chips, o circuitos integrados, comenzaron a reemplazar a los voluminosos transistores individuales a fines de la década de 1950. Muchos de esos pequeños componentes se producen en una pieza de silicio y se conectan para trabajar juntos. Los chips resultantes almacenan datos, amplifican señales de radio y realizan otras operaciones; Intel es famoso por una variedad llamada microprocesadores, que realizan la mayoría de las funciones de cálculo de una computadora.

Intel ha logrado reducir los transistores de sus microprocesadores a tamaños alucinantes. Pero el rival Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. puede fabricar componentes aún más pequeños, una razón clave por la que Apple lo eligió para fabricar los chips para sus últimos iPhones.

Estas victorias de una empresa con sede en Taiwán, una isla que China reclama como propia, se suman a las señales de una creciente brecha tecnológica que podría poner en riesgo los avances en computación, dispositivos de consumo y hardware militar tanto por las ambiciones de China como por las amenazas naturales en Taiwán, como como terremotos y sequías. Y ha puesto de relieve los esfuerzos de Intel por recuperar el liderazgo tecnológico.

como se hacen las fichas

Los fabricantes de chips están empaquetando más y más transistores en cada pieza de silicio, razón por la cual la tecnología hace más cada año. También es la razón por la que las nuevas fábricas de chips cuestan miles de millones y menos empresas pueden permitirse construirlas.

Además de pagar los edificios y la maquinaria, las empresas deben gastar mucho para desarrollar los complejos pasos de procesamiento utilizados para fabricar chips a partir de obleas de silicio del tamaño de una placa, razón por la cual las fábricas se llaman «fabs».

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Enormes máquinas proyectan diseños para chips en cada oblea y luego depositan y graban capas de materiales para crear sus transistores y conectarlos. Hasta 25 obleas a la vez se mueven entre esos sistemas en cápsulas especiales en pistas aéreas automatizadas.

Procesar una oblea lleva miles de pasos y hasta dos meses. TSMC ha marcado el ritmo de producción en los últimos años, operando «gigafabs», sitios con cuatro o más líneas de producción. Dan Hutcheson, vicepresidente de la firma de investigación de mercado TechInsights, estimó que cada sitio puede procesar más de 100 000 obleas al mes. Estimó la capacidad de las dos instalaciones planeadas de $10 mil millones de Intel en Arizona en aproximadamente 40,000 obleas por mes cada una.

Cómo se empaquetan los chips

Después del procesamiento, la oblea se corta en chips individuales. Estos se prueban y envuelven en paquetes de plástico para conectarlos a placas de circuitos o partes de un sistema.

Ese paso se ha convertido en un nuevo campo de batalla, porque es más difícil hacer transistores aún más pequeños. Las empresas ahora apilan múltiples chips o los colocan uno al lado del otro en un paquete, conectándolos para que actúen como una sola pieza de silicio.

El sitio de una de las futuras fábricas de Intel en Chandler, Arizona, 17 de noviembre de 2021. (Philip Cheung/The New York Times)

Donde empaquetar un puñado de chips ahora es una rutina, Intel ha desarrollado un producto avanzado que utiliza nueva tecnología para empaquetar 47 chips individuales notables, incluidos algunos fabricados por TSMC y otras compañías, así como los producidos en las fábricas de Intel.

Lo que hace que las fábricas de chips sean diferentes

Los chips Intel normalmente se venden por millones o miles de dólares cada uno. Intel lanzó en marzo su microprocesador más rápido para computadoras de escritorio, por ejemplo, a un precio inicial de $739. Un trozo de polvo invisible al ojo humano puede arruinar uno. Por lo tanto, las fábricas deben ser más limpias que la sala de operaciones de un hospital y necesitan sistemas complejos para filtrar el aire y regular la temperatura y la humedad.

Las fábricas también deben ser impermeables a casi cualquier vibración, lo que puede provocar el mal funcionamiento de equipos costosos. Así que las fabulosas salas limpias se construyen sobre enormes losas de hormigón sobre amortiguadores especiales.

La planta de tratamiento de agua en la planta de fabricación de chips de Intel en Hillsboro, Oregon, el 22 de septiembre de 2021. (Foto: Philip Cheung/The New York Times)

También es fundamental la capacidad de mover grandes cantidades de líquidos y gases. El nivel superior de las fábricas de Intel, que tienen unos 70 pies de altura, tienen ventiladores gigantes para ayudar a hacer circular el aire hacia la sala limpia directamente debajo. Debajo de la sala limpia hay miles de bombas, transformadores, gabinetes eléctricos, tuberías de servicios públicos y enfriadores que se conectan a las máquinas de producción.

La necesidad de agua

Las fábricas son operaciones que requieren mucha agua. Esto se debe a que se necesita agua para limpiar las obleas en muchas etapas del proceso de producción.

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Los dos sitios de Intel en Chandler extraen colectivamente alrededor de 11 millones de galones de agua al día de la empresa de servicios públicos local. La expansión futura de Intel requerirá mucho más, un desafío aparente para un estado asolado por la sequía como Arizona, que ha recortado las asignaciones de agua a los agricultores. Pero la agricultura en realidad consume mucha más agua que una planta de astillas.

Un empleado de Intel sostiene una oblea de silicio utilizada para fabricar chips en el complejo de la empresa en Chandler, Arizona, el 17 de noviembre de 2021. (Foto: Philip Cheung/The New York Times)

Intel dice que sus sitios de Chandler, que dependen del suministro de tres ríos y un sistema de pozos, recuperan alrededor del 82% del agua dulce que utilizan a través de sistemas de filtración, estanques de sedimentación y otros equipos. Esa agua se devuelve a la ciudad, que opera instalaciones de tratamiento financiadas por Intel y que la redistribuye para riego y otros usos no potables.

Intel espera ayudar a impulsar el suministro de agua en Arizona y otros estados para 2030, trabajando con grupos ambientalistas y otros en proyectos que ahorran y restauran agua para las comunidades locales.

Cómo se construyen las fábricas

Para construir sus futuras fábricas, Intel necesitará aproximadamente 5000 trabajadores de la construcción calificados durante tres años.

Tienen mucho que hacer. Se espera que la excavación de los cimientos elimine 890.000 yardas cúbicas de tierra, transportadas a una velocidad de un camión volquete por minuto, dijo Dan Doron, jefe de construcción de Intel.

La compañía espera verter más de 445 000 yardas cúbicas de concreto y usar 100 000 toneladas de acero de refuerzo para los cimientos, más que en la construcción del edificio más alto del mundo, el Burj Khalifa en Dubai, Emiratos Árabes Unidos.

Un empleado de Intel con una bandeja de microchips Ponte Vecchio antes de colocar el disipador de calor en el complejo de la empresa en Chandler, Arizona, el 17 de noviembre de 2021. (Foto: Philip Cheung/The New York Times)

Algunas grúas para la construcción son tan grandes que se necesitan más de 100 camiones para traer las piezas para ensamblarlas, dijo Doron. Las grúas levantarán, entre otras cosas, enfriadores de 55 toneladas para las nuevas fábricas.

Patrick Gelsinger, quien se convirtió en director ejecutivo de Intel hace un año, está presionando al Congreso para que otorgue subvenciones para la construcción de fábricas y créditos fiscales para la inversión en equipos. Para administrar el riesgo de gasto de Intel, planea enfatizar la construcción de “carcasas” fabulosas que pueden equiparse con equipos para responder a los cambios del mercado.

Para hacer frente a la escasez de chips, Gelsinger tendrá que cumplir con su plan de producir chips diseñados por otras empresas. Pero una sola empresa no puede hacer mucho; productos como teléfonos y automóviles requieren componentes de muchos proveedores, así como chips más antiguos. Y ningún país puede estar solo en semiconductores tampoco. Aunque impulsar la fabricación nacional puede reducir un poco los riesgos de suministro, la industria de los chips seguirá dependiendo de una compleja red mundial de empresas para obtener materias primas, equipos de producción, software de diseño, talento y fabricación especializada.

Este artículo apareció originalmente en The New York Times.

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