Intel 4 y el futuro de los nodos de Intel

Intel ya ha desarrollado el que será su futuro nodo de fabricación, el proceso Intel 4, como se ha llamado. Es decir, es el sustituto del actual Intel 7, que pese a su nombre, no se trata de un proceso de 7nm, sino que sigue siendo un proceso de litografía basado en DUV y en los 10nm que han estado exprimiendo al máximo para obtener mayor densidad y prestaciones en los últimos años, pero que ha visto cómo la competencia le adelanta.

Pues bien, en este tutorial te enseñaré todo lo que puedes esperar y qué no de este proceso de Intel, además de las características que tendrá y lo que podría aportar a los futuros microprocesadores de 14ª Gen que la empresa está ya preparando para la producción en masa bajo este proceso…

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¿Qué es un nodo?

Lo primero que hay que comentar es lo que es un nodo o proceso cuando se habla de tecnología de fabricación de semiconductores. Y esto se refiere a un tipo de fabricación concreto, con unas reglas de diseño y una resolución determinada. El tamaño del nodo se refiere al menor tamaño que es posible crear con esta tecnología. Por ejemplo, un nodo de 10nm significa que el menor tamaño que se puede grabar en el chip es de ese tamaño, pero no quiere decir que los transistores sean de ese tamaño, ya que son más grandes que eso, en contra de lo que mucha gente piensa. Generalmente, cuando se habla de 10nm, esa será la anchura del canal del transistor MOSFET creado.

Dicho de otro modo, imagina una pantalla con píxeles. El píxel es el tamaño más pequeño que se puede manejar, pero eso no quiere decir que una figura representada en la pantalla tenga dicho tamaño, sino que estará compuesta por varios de estos píxeles.

Mientras más pequeños sean los transistores, mejores serán los chips. Por un lado porque se puede integrar núcleos de procesamiento más complejos y de mayor rendimiento en menor espacio, por otro lado porque baja el consumo y mejora la velocidad de conmutación del transistor, lo que permite trabajar a frecuencias de reloj más altas.

No obstante, hay que decir que desde 2017 hemos visto un desconcierto bastante grande en la industria de los semiconductores, con los departamentos de marketing de las empresas trabajando más que los desarrolladores de nodos. Nos han estado vendiendo nodos nuevos que prácticamente eran nodos anteriores con ligeras modificaciones. Un ejemplo muy escandaloso es el de Intel 10 nm, que incluso lo que ellos llaman Intel 7nm no lo es realmente… Polémicas aparte, vamos a ver qué es eso de Intel 4:

¿Qué es Intel 4?

Intel 4 es el nuevo nodo de fabricación en masa que está ultimando Intel para producir su nueva generación de microprocesadores. Este nodo empleará transistores FinFET basados en CMOS y debería mejorar la densidad de integración, la eficiencia y el rendimiento con respecto a Intel 7. Sin embargo, Intel no parece estar apostado fuerte por este nodo, al que parece que ve como una especie de paso intermedio.

Intel 4 ya está listo para la producción en masa, y lo veremos debutar con las unidades Intel Core de 14ª Gen (Meteor Lake) que aparecerán en unos meses. Esto debería darle un empujón a los chips de Intel frente a la competencia en términos de un TDP más bajo, y mejoras de rendimiento, aunque veremos cómo se comporta este nodo frente a los de TSMC.

¿Qué traerá de nuevo este Intel 4? Pues bien, los principales puntos destacados son:

• Será el primero en usar máquinas de fotolitografía EUV (Extreme UltraViolet), ya que hasta ahora se ha estado trabajando con DUV (Deep UV), un método algo menos avanzado. Así se pondrá a la par de sus competidores, que ya usaban EUV para la producción en masa.
• Además, Intel ha trabajado con la empresa Applied Material para mejorar las máquinas de exposición y abaratar costes de producción al reducir la cantidad de exposiciones por oblea. Todo gracias a un nuevo equipo de exposición denominado Centura Sculpta.
• Será el primer nodo de Intel que no esté basado en 10nm de los últimos años, es decir, no se trata de un 10nm++++, sino de un nuevo nodo real.

Todo esto llega en un momento bastante crítico para Intel, ya que los últimos nodos de 10nm renombrados no convencieron a los expertos, y esto se notó finalmente en el TDP superior al de AMD, consumos superiores, y verse comprometido en el rendimiento cuando Intel solía estar bastantes pasos por delante.

Además, la variante de transistores SuperFin para sustituir a los FinFET convencionales que Intel vendió como todo un gran progreso, tampoco ha resultado ser así. Por eso necesitan un nuevo lavado de cara con este Intel 4. Pero… ¿será lo que realmente necesitan?

Mejoras en Intel 4

Como mejoras que se pueden apreciar en el nodo Intel 4 tenemos que destacar las siguientes:

2x densidad frente a Intel 7

Una de las cosas que primer llama la atención con el nodo Intel 4 es que trae un salto importante en la densidad de transistores por unidad de superficie, dado que puede crear características más pequeñas que Intel 7. Esto seguirá manteniendo viva la famosa Ley DE Moore, aunque también es cierto que la Ley de Dennard morirá al mismo tiempo.

Según estas cifras que la propia Intel ha publicado sobre el nodo Intel 4, se puede apreciar mejoras importantes con respecto a Intel 7, pero falta ver si en la práctica se traduce también en el empujón que Intel necesita para ponerse nuevamente al frente como líder frente a AMD. Y es que hay que tener en cuenta que AMD no está de brazos cruzados, ni la fabrica TSMC lo está…

Intel debería ganar el doble de densidad de transistores por unidad de superficie con respecto a Intel 7. Y es que, como he comentado anteriormente, no se trata de un nodo de 7nm de verdad, sino un renombre de su Intel 10 por cuestiones de marketing, de ahí que de pasar de 10 a 4nm se vea este salto.

Por otro lado, hay que decir que no todos las estructuras y celdas empleadas para el diseñod e chips escalarán con el mismo factor con Intel 4. Según la compañía americana, las celdas SRAM serán un 0.77 veces el tamaño de las mismas celdas con Intel 7. Es decir, que mientras las celdas lógicas estándar de la biblioteca de Intel han mejorado en un factor de 2, las SRAM solo han mejorado un 30% aproximadamente. Esto es importante a la hora de fabricar la memoria caché, basada en esta SRAM, por lo que veremos si esto puede afectar de algún modo a los tamaños de caché de Intel frente a los de AMD (más aún teniendo en cuenta la 3D V-Cache).

También hay que decir, para ser justos, que Intel no está hablando de densidad de los transistores con cifras reales, solo de las celdas estándar. Tenemos que creer ese factor x2 del que habla Intel, pero habrá que ver si eso es real o nuevamente se trata de más marketing. En principio, con Intel 7 se podría conseguir una densidad de 80 millones de transistores por mm ² para bibliotecas Intel HP, mientras que esas mismas celdas para Intel 4 serían de alrededor de 160 MTr/mm ².

HP son las bibliotecas de celdas estándar de alto rendimiento de menor densidad de Intel. Es decir, lo que Intel empleará como «ladrillos» elementales para crear sus circuitos integrados.

Tic-Tac: vuelve el modelo de desarrollo a Intel

Como sabes, en el pasado Intel usaba un modelo de desarrollo Tic-Tac, mejorando la microarquitectura en un paso y luego mejorando el nodo de fabricación en el siguiente. Algo que se veía fácilmente en los roadmaps. Y ahora parece que ha vuelto a esto que en su día desechó, pero en este caso lo hace con sus nodos de fabricación.

Me explico, si analizamos lo dicho en el apartado anterior, nos damos cuenta de que Intel solo ha desarrollado celdas de alto rendimiento o HP para su biblioteca, y no hay celdas de alta densidad. Por tanto, no se trata de un nodo que vaya a exprimir al máximo las velocidades de reloj, o pensando en los portátiles. Simplemente, Intel 4 será un nodo puro de alto rendimiento para el escritorio ¿quizás por eso cancelaron sus productos para portátiles?

Según esto, debemos deducir que Intel no está apostado fuerte por Intel 4, sino que simplemente sería un paso intermedio como dije anteriormente, y dejará los diseños de alta densidad para el nodo siguiente, el Intel 3. Y quizás ahí sí que veamos chips para portátiles.

Es decir, Intel vuelve a adoptar una estrategia similar a la Tic-Tac del pasado, solo que en este caso con los nodos de fabricación. Esto es parte del esfuerzo tan enorme al que se está enfrentando la empresa tras los monumentales problemas con los 10 nm.

En definitiva, esto quiere decir que mientras Intel 4 solo tiene objetivo de ganar rendimiento, luego vendrá Intel 3, que será un nodo más refinado y optimizado. Y así sucesivamente. De hecho, Intel 4 no estará disponible para los clientes del servicio IFS (Intel Foundry Services), solo lo estará Intel 3.

Sin embargo, Intel 3 no llegaría hasta un año más tarde, por lo que veremos qué problemas podría traer esto a los productos de Intel, especialmente para portátiles como he mencionado anteriormente, ahora en un momento en el que AMD Ryzen está ganando terreno en este sector con sus Zen 4.

Pequeños cambios en las capas metálicas con Intel 4

Como deberías saber, en los intentos desesperados de exprimir el nodo de 10 nm, Intel estuvo coqueteando con materiales exóticos, concretamente con metales poco frecuentes en las capas metálicas de las interconexiones. Esto les llevó a sustituir el cobre por cobalto, lo cual mejoraría la longevidad de los transistores frente a electromigración según la propia Intel.

Pero según los rumores, el cobalto no se adhería bien al silicio, por lo que tuvieron muchos problemas y de ahí el retraso en el desarrollo de los nodos y el adelanto de TSMC. Y es que si Intel reducía su nodo, los problemas de adherencia del cobalto se incrementaban, por eso mantenerse en los 10nm durante tanto tiempo…

Además, el cobalto no es tan bueno cuando se trata de rendimiento, ya que el cobre es mejor para aumentar la frecuencia de reloj.

Ahora para Intel 4 se ha dado un paso atrás, reconociendo que se han equivocado, y se ha vuelto al cobre, aunque el cobalto no ha desaparecido del todo. Sin embargo, en lugar del cobalto puro que se usaba anteriormente, ahora se usa lo que Intel denomina eCu, que no es más que un cobre revestido de cobalto.

Con eCu Intel pretende mejorar el rendimiento de la metalización gracias a las características del cobre, y por otro lado, con el revestimiento del cobalto, reducir los problemas de la electromigración. Además, hay que decir que Intel no solo usará el cobalto en las dos primeras capas metálicas de interconexiones (M0 y M1), en Intel 4 se empleará hasta en las cinco primeras capas:

En total, la cantidad de capas de metal para Intel 4 ha aumentado en comparación con Intel 7. Mientras que el anterior nodo tenía 15 capas de metalización, en el actual Intel 4 se ha agregado una más, además de otras dos adicionales de enrutamiento para el suministro de energía denominadas Metal Gigante que se crearán en las últimas capas, las más alejadas de la capa de transistores.

Intel 4 también trae otra novedad curiosa, y es que las interconexiones se diseñan ahora en forma de cuadrícula o grid. Dicho de otro modo, solo se permiten vías o líneas entre capas de metal que se coloquen como una cuadrícula predeterminada, en vez de en cualquier lugar como antes. Esto mejorará la flexibilidad, mejorando el rendimiento del proceso al reducir la variabilidad. Por ejemplo, se podrían evitar algunas exposiciones múltiples o patrones complejos, reduciendo la cantidad de pasos y máscaras de fabricación del chip.

No obstante, Intel no ha dicho cuáles son las ganancias extras para esta tecnología, aunque parece que se podría ahorrar hasta el 20% de las máscaras frente a Intel 7, lo que supone un importante ahorro.

Rendimiento y eficiencia

Por otro lado, también hay que destacar que Intel 4 traerá mejoras de rendimiento y eficiencia energética, lo que vendrá bastante bien para los Intel Core 14ª Gen, por lo que se puede esperar que baje el consumo y el TDP, y que se gane en rendimiento en general, no solo por la nueva microarquitectura, sino también por el nuevo nodo.

Según la compañía, las ganancias de Intel 4 son bastante prometedores:

• Aumento del 21.5% de rendimiento (comparando con iso-power 0.65v), permitiendo escalar las frecuencias de reloj a valores más altos que con Intel 7. No obstante, a medida que avanza la curva de voltaje/frecuencia, las ganancias se van reduciendo. Por ejemplo, para 9.85v la ganancia es de solo 10%.
• Para la eficiencia energética se espera un consumo de energía un 40% menor. Esto se ha probado con frecuencia-iso de 2.1 Ghz para compararlo con Intel 7, pero veremos qué ocurre para otros valores.

El futuro de los nodos de Intel

Tras el nodo Intel 4, e Intel 3, Intel llega a una nueva era que ha llamado la era Å o ángstrom. Esto no es más que un cambio de unidad, como cuando se pasó de las micras (µm) a los nanómetros hace unos años. Ahora, conforme se van reduciendo los tamaños, se necesita esta nueva unidad que equivale a la diezmilmillonésima parte de un metro, o 0,0000000001 metros.

Dicho de otro modo, un 1 nm = 10Å. Por tanto, estos nuevos términos de nodos no nos deben confundir. Cuando Intel llama a su nodo Intel 20A está indicando que será un nodo de 2 nm, mientras que el 18A será algo menos de 2 nm, 1.8 nm, y el Intel 10A será de 1nm. Nuevamente el marketing entra en acción para diferenciarse de la competencia que sigue usando nanómetros (véase TSMC 3nm, 2nm, etc., por ejemplo).

Será también interesante ver si Intel sigue con estos otros nodos la estrategia Tic-Tac como con Intel 4 y la Intel 3. Es decir, que Intel 20A sea solo un paso intermedio para la Intel 18A, etc.

Estos nodos serán los que vendrán en las próximas décadas. En estos nuevos nodos no solo habrá reducción de tamaño, también se mejorarán los materiales empleados y las estructuras de los transistores, como se aprecia en este roadmap u hoja de ruta de Intel. Además, según los estudios de IMEC y ASML, parece que hasta 2036 se podría seguir reduciendo hasta los 2A, es decir, prácticamente lo que mide un átomo de silicio (Si).

Para ello, ya se preparan nuevas máquinas de fotolitografía basadas en EUV High-NA, y se está investigando en los sustitutos de los CMOS MOSFET y FinFET actuales, como los GAA que son transistores apilados verticalmente, y luego entrar en los CFET o complementary FET, que serán transistores de canal N o P apilados uno encima de otro para mejorar la densidad.

Todas estas tecnologías están desarrolladas por la europea Imec y la maquinaria de fotolitografía está diseñada por ASML, dos de los impulsores del futuro de los semiconductores con base en Europa y que ayudan a empresas como Intel, TSMC, Samsung, GlobalFoundries, etc., a poder llegar a nuevos nodos.

Todo esto implicará grandes retos, el uso de nuevos materiales exóticos, y nueva maquinaria en el sector industrial, con la llegada también de monocapas atómicas planas con materiales como sulfuros o seleniurs de tungsteno o molibdeno, o el famoso grafeno del que tanto se ha hablado, y es que estos materiales podrían tener mejores prestaciones que el silicio. Aunque para un sustituto total del silicio aún queda demasiado… Muchos pensaban que los semiconductores de silicio estaban muertos, y aún les queda mucha vida.

Sin duda vamos a ver muchos cambios por delante, todo en pos de mejorar aún más las prestaciones de los chips actuales…