Intel 4 y el futuro de los nodos de Intel

Actualizado a: 19 de enero de 2024

Intel ya ha desarrollado el que serรก su futuro nodo de fabricaciรณn, 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 litografรญa basado en DUV y en los 10nm que han estado exprimiendo al mรกximo para obtener mayor densidad y prestaciones en los รบltimos aรฑos, pero que ha visto cรณmo la competencia le adelanta.

Pues bien, en este tutorial te enseรฑarรฉ todo lo que puedes esperar y quรฉ no de este proceso de Intel, ademรกs de las caracterรญsticas que tendrรก y lo que podrรญa aportar a los futuros microprocesadores de 14ยช Gen que la empresa estรก ya preparando para la producciรณn en masa bajo este proceso…

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ยฟQuรฉ es un nodo?

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

Dicho de otro modo, imagina una pantalla con pรญxeles. El pรญxel es el tamaรฑo mรกs pequeรฑo que se puede manejar, pero eso no quiere decir que una figura representada en la pantalla tenga dicho tamaรฑo, sino que estarรก compuesta por varios de estos pรญxeles.

Mientras mรกs pequeรฑos sean los transistores, mejores serรกn los chips. Por un lado porque se puede integrar nรบcleos de procesamiento mรกs complejos y de mayor rendimiento en menor espacio, por otro lado porque baja el consumo y mejora la velocidad de conmutaciรณn del transistor, lo que permite trabajar a frecuencias de reloj mรกs 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 mรกs que los desarrolladores de nodos. Nos han estado vendiendo nodos nuevos que prรกcticamente 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… Polรฉmicas aparte, vamos a ver quรฉ es eso de Intel 4:

ยฟQuรฉ es Intel 4?

Roadmap Intel 4

Intel 4 es el nuevo nodo de fabricaciรณn en masa que estรก ultimando Intel para producir su nueva generaciรณn de microprocesadores. Este nodo emplearรก transistores FinFET basados en CMOS y deberรญa mejorar la densidad de integraciรณn, 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 estรก listo para la producciรณn en masa, y lo veremos debutar con las unidades Intel Core de 14ยช Gen (Meteor Lake) que aparecerรกn en unos meses. Esto deberรญa darle un empujรณn a los chips de Intel frente a la competencia en tรฉrminos de un TDP mรกs bajo, y mejoras de rendimiento, aunque veremos cรณmo se comporta este nodo frente a los de TSMC.

ยฟQuรฉ traerรก de nuevo este Intel 4? Pues bien, los principales puntos destacados son:

  • Serรก el primero en usar mรกquinas de fotolitografรญa EUV (Extreme UltraViolet), ya que hasta ahora se ha estado trabajando con DUV (Deep UV), un mรฉtodo algo menos avanzado. Asรญ se pondrรก a la par de sus competidores, que ya usaban EUV para la producciรณn en masa.
  • Ademรกs, Intel ha trabajado con la empresa Applied Material para mejorar las mรกquinas de exposiciรณn y abaratar costes de producciรณn al reducir la cantidad de exposiciones por oblea. Todo gracias a un nuevo equipo de exposiciรณn denominado Centura Sculpta.
  • Serรก el primer nodo de Intel que no estรฉ basado en 10nm de los รบltimos aรฑos, es decir, no se trata de un 10nm++++, sino de un nuevo nodo real.

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

Ademรกs, la variante de transistores SuperFin para sustituir a los FinFET convencionales que Intel vendiรณ como todo un gran progreso, tampoco ha resultado ser asรญ. Por eso necesitan un nuevo lavado de cara con este Intel 4. Pero… ยฟserรก 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 atenciรณn con el nodo Intel 4 es que trae un salto importante en la densidad de transistores por unidad de superficie, dado que puede crear caracterรญsticas mรกs pequeรฑas que Intel 7. Esto seguirรก manteniendo viva la famosa Ley DE Moore, aunque tambiรฉn es cierto que la Ley de Dennard morirรก al mismo tiempo.

Intel 4 vs Intel 7
 Intel 4Intel 7Diferencia
Tamaรฑo de aleta (Fin)30nm34nm0,88x
Tamaรฑo del Poli-Si de la puerta de contacto50nm54/60 nanรณmetro0,83x
Tamaรฑo de metal (capa M0)30nm40nm0,75x
Altura para celdas de la biblioteca Intel HP (High-Performance)240h408h0,59x
รrea (Altura de la biblioteca x CPP)12Knm224.4Knm20,49x

Segรบn 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 prรกctica se traduce tambiรฉn en el empujรณn que Intel necesita para ponerse nuevamente al frente como lรญder frente a AMD. Y es que hay que tener en cuenta que AMD no estรก de brazos cruzados, ni la fabrica TSMC lo estรก…

Intel deberรญa 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 ahรญ 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 diseรฑod e chips escalarรกn con el mismo factor con Intel 4. Segรบn la compaรฑรญa americana, las celdas SRAM serรกn un 0.77 veces el tamaรฑo de las mismas celdas con Intel 7. Es decir, que mientras las celdas lรณgicas estรกndar 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 cachรฉ, basada en esta SRAM, por lo que veremos si esto puede afectar de algรบn modo a los tamaรฑos de cachรฉ de Intel frente a los de AMD (mรกs aรบn teniendo en cuenta la 3D V-Cache).

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

HP son las bibliotecas de celdas estรกndar de alto rendimiento de menor densidad de Intel. Es decir, lo que Intel emplearรก como ยซladrillosยป elementales para crear sus circuitos integrados.

Tic-Tac: vuelve el modelo de desarrollo a Intel

Intel Tick-Tock

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 fabricaciรณn en el siguiente. Algo que se veรญa fรกcilmente en los roadmaps. Y ahora parece que ha vuelto a esto que en su dรญa desechรณ, pero en este caso lo hace con sus nodos de fabricaciรณn.

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 mรกximo las velocidades de reloj, o pensando en los portรกtiles. Simplemente, Intel 4 serรก un nodo puro de alto rendimiento para el escritorio ยฟquizรกs por eso cancelaron sus productos para portรกtiles?

Segรบn esto, debemos deducir que Intel no estรก apostado fuerte por Intel 4, sino que simplemente serรญa un paso intermedio como dije anteriormente, y dejarรก los diseรฑos de alta densidad para el nodo siguiente, el Intel 3. Y quizรกs ahรญ sรญ que veamos chips para portรกtiles.

Es decir, Intel vuelve a adoptar una estrategia similar a la Tic-Tac del pasado, solo que en este caso con los nodos de fabricaciรณn. Esto es parte del esfuerzo tan enorme al que se estรก 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 vendrรก Intel 3, que serรก un nodo mรกs refinado y optimizado. Y asรญ sucesivamente. De hecho, Intel 4 no estarรก disponible para los clientes del servicio IFS (Intel Foundry Services), solo lo estarรก Intel 3.

Sin embargo, Intel 3 no llegarรญa hasta un aรฑo mรกs tarde, por lo que veremos quรฉ problemas podrรญa traer esto a los productos de Intel, especialmente para portรกtiles como he mencionado anteriormente, ahora en un momento en el que AMD Ryzen estรก ganando terreno en este sector con sus Zen 4.

Pequeรฑos cambios en las capas metรกlicas con Intel 4

Como deberรญas saber, en los intentos desesperados de exprimir el nodo de 10 nm, Intel estuvo coqueteando con materiales exรณticos, concretamente con metales poco frecuentes en las capas metรกlicas de las interconexiones. Esto les llevรณ a sustituir el cobre por cobalto, lo cual mejorarรญa la longevidad de los transistores frente a electromigraciรณn segรบn la propia Intel.

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

Ademรกs, 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 atrรกs, 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 mรกs que un cobre revestido de cobalto.

Con eCu Intel pretende mejorar el rendimiento de la metalizaciรณn gracias a las caracterรญsticas del cobre, y por otro lado, con el revestimiento del cobalto, reducir los problemas de la electromigraciรณn. Ademรกs, hay que decir que Intel no solo usarรก el cobalto en las dos primeras capas metรกlicas de interconexiones (M0 y M1), en Intel 4 se emplearรก hasta en las cinco primeras capas:

Pila de metal Intel 4
CapaMetalDimensiรณn
Aleta (Fin)30nm
PuertaTungsteno50nm
Metรกlica 0Cobre con revestimiento de cobalto30nm
Metรกlica 1Cobre con revestimiento de cobalto50nm
Metal 2Cobre con revestimiento de cobalto45nm
Metรกlica 3Cobre con revestimiento de cobalto50nm
Metal 4Cobre con revestimiento de cobalto45nm
Metรกlica 5, 6Cobre60nm
Metรกlica 7, 8Cobre84nm
Metรกlica 9, 10Cobre98nm
Metรกlica 11, 12Cobre130nm
Metรกlicos 13, 14Cobre160nm
Metรกlica 15Cobre280nm
Metal Gigante 0Cobre1080nm
Metal Gigante 1Cobre4000nm

En total, la cantidad de capas de metal para Intel 4 ha aumentado en comparaciรณn con Intel 7. Mientras que el anterior nodo tenรญa 15 capas de metalizaciรณn, en el actual Intel 4 se ha agregado una mรกs, ademรกs de otras dos adicionales de enrutamiento para el suministro de energรญa denominadas Metal Gigante que se crearรกn en las รบltimas capas, las mรกs alejadas de la capa de transistores.

Intel 4 tambiรฉn trae otra novedad curiosa, y es que las interconexiones se diseรฑan ahora en forma de cuadrรญcula o grid. Dicho de otro modo, solo se permiten vรญas o lรญneas entre capas de metal que se coloquen como una cuadrรญcula predeterminada, en vez de en cualquier lugar como antes. Esto mejorarรก la flexibilidad, mejorando el rendimiento del proceso al reducir la variabilidad. Por ejemplo, se podrรญan evitar algunas exposiciones mรบltiples o patrones complejos, reduciendo la cantidad de pasos y mรกscaras de fabricaciรณn del chip.

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

Rendimiento y eficiencia

Intel 4

Por otro lado, tambiรฉn hay que destacar que Intel 4 traerรก mejoras de rendimiento y eficiencia energรฉtica, lo que vendrรก bastante bien para los Intel Core 14ยช 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 tambiรฉn por el nuevo nodo.

Segรบn la compaรฑรญa, 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 mรกs 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 energรฉtica se espera un consumo de energรญa un 40% menor. Esto se ha probado con frecuencia-iso de 2.1 Ghz para compararlo con Intel 7, pero veremos quรฉ ocurre para otros valores.

El futuro de los nodos de Intel

Intel 4 roadmap

Tras el nodo Intel 4, e Intel 3, Intel llega a una nueva era que ha llamado la era ร… o รกngstrom. Esto no es mรกs que un cambio de unidad, como cuando se pasรณ de las micras (ยตm) a los nanรณmetros hace unos aรฑos. Ahora, conforme se van reduciendo los tamaรฑos, se necesita esta nueva unidad que equivale a la diezmilmillonรฉsima parte de un metro, o 0,0000000001 metros.

Dicho de otro modo, un 1 nm = 10ร…. Por tanto, estos nuevos tรฉrminos de nodos no nos deben confundir. Cuando Intel llama a su nodo Intel 20A estรก indicando que serรก un nodo de 2 nm, mientras que el 18A serรก algo menos de 2 nm, 1.8 nm, y el Intel 10A serรก de 1nm. Nuevamente el marketing entra en acciรณn para diferenciarse de la competencia que sigue usando nanรณmetros (vรฉase TSMC 3nm, 2nm, etc., por ejemplo).

Serรก tambiรฉn 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 serรกn los que vendrรกn en las prรณximas dรฉcadas. En estos nuevos nodos no solo habrรก reducciรณn de tamaรฑo, tambiรฉn se mejorarรกn los materiales empleados y las estructuras de los transistores, como se aprecia en este roadmap u hoja de ruta de Intel. Ademรกs, segรบn los estudios de IMEC y ASML, parece que hasta 2036 se podrรญa seguir reduciendo hasta los 2A, es decir, prรกcticamente lo que mide un รกtomo de silicio (Si).

Para ello, ya se preparan nuevas mรกquinas de fotolitografรญa basadas en EUV High-NA, y se estรก 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 serรกn transistores de canal N o P apilados uno encima de otro para mejorar la densidad.

Todas estas tecnologรญas estรกn desarrolladas por la europea Imec y la maquinaria de fotolitografรญa estรก diseรฑada 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 implicarรก grandes retos, el uso de nuevos materiales exรณticos, y nueva maquinaria en el sector industrial, con la llegada tambiรฉn de monocapas atรณmicas 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 podrรญan tener mejores prestaciones que el silicio. Aunque para un sustituto total del silicio aรบn queda demasiado… Muchos pensaban que los semiconductores de silicio estaban muertos, y aรบn les queda mucha vida.

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

Jaime Herrera

Jaime Herrera

Ingeniero Informรกtico apasionado por el hardware y la tecnologรญa. Llevo mรกs de diez aรฑos dedicรกndome al anรกlisis de componentes como procesadores, tarjetas grรกficas y sistemas de almacenamiento. Mi objetivo es ofrecer informaciรณn clara y precisa, combinando mi experiencia tรฉcnica con un enfoque prรกctico para ayudar a los lectores a entender mejor el mundo del hardware.

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