Ingeniería de Dispositivos: Donde las Ambiciones se Encuentran con el Silicio Real

Cuando Global Foundries decidió abandonar la carrera por las tecnologías de silicio más avanzadas en 2018 (tras la retirada de IBM en 2015), Chung-Hsun Lin no estaba listo para rendirse.

“En ese momento, sentí en mi interior que aún quería ensuciarme las manos trabajando en la vanguardia tecnológica”, cuenta Lin. Había contribuido al desarrollo de diversas tecnologías de silicio en Global Foundries e IBM, incluyendo el proceso FinFET SOI de 14 nanómetros que sirvió de base para Summit, el superordenador de IBM que en 2018 debutó como el más potente del mundo.

Cuando se unió a Intel ese mismo año, le asignaron una tarea fascinante: liderar el grupo de exploración de dispositivos para desarrollar el transistor de próxima generación de Intel, un diseño de compuerta total alrededor (gate-all-around) que luego se denominó RibbonFET.

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En 2011, Intel fue pionera con FinFET, el primer rediseño importante del transistor CMOS desde su introducción en los años 60. Cuando Lin llegó a Intel, ya era evidente que se necesitaría un nuevo diseño para seguir reduciendo el tamaño de los transistores, aumentando su velocidad y mejorando su eficiencia.

Si Lin buscaba estar en la vanguardia, lo consiguió: desarrollar un nuevo transistor es, posiblemente, el trabajo más puntero del planeta.

La intersección de la teoría, la realidad del silicio y las necesidades del cliente

Casi siete años después, el esfuerzo de Lin y sus colegas para convertir RibbonFET de concepto en manufactura a gran escala ya es una realidad.

RibbonFET debuta como parte del nodo de proceso Intel 18A. Muy esperado durante los últimos cuatro años, se prevé que Intel 18A devuelva a la compañía al liderazgo en la fabricación de semiconductores avanzados. Representa el renovado compromiso de Intel con la excelencia en manufactura y es su primera gran oferta como proveedor de servicios de fundición tanto para diseños internos como externos.

Lin ha tenido un papel singular en este desarrollo desde su primer día en Intel.

Actualmente, Lin es ingeniero principal sénior y líder del Grupo de Ingeniería de Dispositivos dentro de Intel Foundry Technology and Manufacturing – la división que trabaja en varios nodos futuros de procesos de silicio, incluidos Intel 18A, Intel 14A y más allá.

La ingeniería de dispositivos, al parecer, es donde chocan las ambiciones que apuestan el futuro de la empresa con la realidad de lo que los equipos pueden construir de forma confiable sobre obleas de silicio. Lin y su equipo lideran un esfuerzo colaborativo en todo Intel Foundry para establecer los objetivos de rendimiento para cada nodo de proceso futuro – tanto para transistores como para interconexiones – y luego trabajan juntos para alcanzar esos objetivos en silicio.

También encapsulan todas las especificaciones resultantes para cada nodo en el kit de desarrollo de proceso (PDK, por sus siglas en inglés). “El PDK es cómo nos comunicamos con nuestros clientes”, explica Lin. El PDK es tan importante como las tecnologías de silicio que representa – él lo llama un “contrato implícito” con los clientes sobre cómo se comportará y rendirá el nodo.

Tener el control de todo esto coloca a la ingeniería de dispositivos en el centro del desarrollo de nodos de proceso, abarcando desde la teoría hasta los procesos físicos del silicio. “Somos como un puente, orquestando todo para construir el PDK junto con los equipos de proceso y de plataforma de tecnología de diseño”, dice Lin. Debe reflejar digitalmente las tecnologías físicas con la mayor precisión posible.

Para complicar aún más las cosas, los clientes y socios necesitan el PDK desde etapas muy tempranas, mucho antes de que el proceso de silicio esté listo para la producción en masa. Al inicio, el PDK es un conjunto de proyecciones a varios años vista, estimaciones que los equipos creen que pueden alcanzar cuando finalice el desarrollo.

Escuchar a los clientes y ganarse su confianza

“Tenemos que ser humildes”, dice Lin. La fundición se trata de servicio al cliente, “y estamos aprendiendo a escuchar a los clientes y entregar lo que necesitan”.

“El desarrollo de procesos en tecnología de punta es emocionante porque siempre estás aprendiendo y mejorando”, comenta. Los clientes esperan cierta imprevisibilidad en la frontera del silicio, “pero quieren total transparencia”. La colaboración con socios fomenta ideas compartidas y, con el tiempo, construye confianza entre equipos internos y externos.

Lin y su equipo desarrollan y mantienen varios PDK en paralelo – aplicando rápidamente las lecciones aprendidas de un programa a otro para mejorar continuamente el proceso de desarrollo – pero Intel 18A es especial. “Estamos tratando de recuperar el liderazgo en procesos”, afirma Lin.

Intel 18A incorpora dos tecnologías completamente nuevas y radicalmente distintas a sus predecesoras: PowerVia, que traslada la red de distribución de energía al reverso (parte inferior) de la oblea, y RibbonFET, un diseño totalmente nuevo para los transistores que están en el corazón de cada chip.

Hace dos años, Intel probó PowerVia con un nodo de proceso intermedio que usaba transistores FinFET como mecanismo de control para afinar un nuevo proceso de manufactura en dos partes, que pasa de construir chips como pizzas (de abajo hacia arriba), a cocinarlos como tortillas precisas, volteadas al revés.

RibbonFET utiliza un diseño de compuerta total alrededor y “probablemente es el transistor más difícil que se haya construido”, dice Lin.

Dando continuidad a la revolución geométrica, RibbonFET gira las aletas del FinFET y las apila verticalmente, donde pueden colocarse como “cintas” mucho más juntas (de unos 30 nanómetros a solo 10). Vale la pena: con la compuerta rodeando completamente las cintas, los transistores funcionan mejor. En conjunto, cada transistor conmuta más rápido (más rendimiento), consume menos energía (más eficiencia) y ocupa menos espacio en la oblea. Es la materialización de la Ley de Moore.

Lo que hace difícil fabricar el RibbonFET es su intrincado diseño tridimensional. Por ejemplo: los materiales que forman las cintas horizontales suspendidas se depositan sobre toda la oblea de silicio desnuda, y luego se eliminan excepto donde se necesitan. Se agregan nuevas capas, se graban canales y se depositan materiales en ubicaciones precisas, a veces átomo por átomo.

Triple compromiso, cumplimiento de proyecciones y optimismo inquebrantable

Todo el proceso debe ser inquebrantablemente repetible y confiable. “El rendimiento, el desempeño y la confiabilidad siempre entran en conflicto porque cuando mejoras uno, los otros dos pueden verse afectados”, explica Lin. “Siempre es un triple compromiso.”

Pero se puede superar. Lin es seguidor del enfoque cultivado por Youssef El-Mansy, un ex vicepresidente de Intel que lideró el desarrollo de una docena de procesos de silicio hasta su retiro en 2004. La receta, en resumen: establecer metas ambiciosas (como recuperar el liderazgo en procesos), asumir riesgos inteligentes (como el desarrollo de PowerVia) y fomentar una ejecución disciplinada e implacable (cumplir el calendario).

A medida que avanza el desarrollo, se minimizan los cambios al PDK y se refina el proceso de silicio para cumplir con los compromisos definidos en él. Y muchas cosas salen bien: “La parte más divertida es cuando ves que los datos del silicio cumplen con tus proyecciones”, dice Lin.

En agosto pasado, Intel Foundry anunció el lanzamiento de la versión 1.0 del PDK de Intel 18A, pero el trabajo de Lin y su equipo no ha terminado.

Aunque el proceso Intel 18A ya está entrando en producción de riesgo, los equipos de Intel Foundry siguen mejorando su rendimiento y capacidades.

Para Lin, la satisfacción definitiva llega cuando las tecnologías alcanzan su destino: tu próximo portátil o un superordenador récord. “Solo quiero construir algo concreto que pueda ayudar a la vida humana”, dice Lin.

Sabe que el próximo nodo de proceso –y el siguiente desafío– siempre está a la vuelta de la esquina. Para este trabajo, “hay que ser un pensador positivo y tener mucha paciencia con lo que uno hace”, afirma. “Hay que estar motivado durante muchos, muchos años.”