Con PowerVia, Intel logra un gran avance en la fabricación de chips

Intel está a punto de poner patas arriba la fabricación de chips con PowerVia, un nuevo enfoque para suministrar potencia que requiere un replanteamiento radical tanto de cómo se fabrican los chips como de cómo se prueban. Durante toda la historia moderna de los chips informáticos, se han construido como las pizzas: de abajo arriba, en capas. En el caso de los chips, se empieza por los elementos más diminutos, los transistores, y luego se van construyendo capas cada vez menos diminutas de cables que conectan los transistores y las distintas partes del chip (se llaman interconexiones). Entre esas capas superiores están los cables que suministran la energía que hace funcionar el chip.

Cuando el chip está terminado, se le da la vuelta, se envuelve en un embalaje que proporciona conexiones con el mundo exterior y ya está listo para colocarlo en un ordenador. Desgraciadamente, este enfoque está dando problemas. A medida que se hacen más pequeños y densos, las capas que comparten interconexiones y conexiones de alimentación se han convertido en un entramado cada vez más caótico que dificulta el rendimiento general de cada chip. Antes eran una idea de último momento, "ahora tienen un impacto enorme", afirma Ben Sell, vicepresidente de Desarrollo Tecnológico de Intel y parte del equipo que hizo realidad PowerVia. En pocas palabras, la potencia y las señales se desvanecen, lo que obliga a buscar soluciones o simplemente a inyectar más potencia.

Dos problemas, una solución y "muchas dudas y vacilaciones"

Esto no quiere decir que los equipos de Intel no previeran estos problemas -la investigación y el desarrollo de un nuevo enfoque se remontan a una década atrás- ni que Intel se enfrente a ellos en solitario. La solución en la que están trabajando Intel y los fabricantes de chips de vanguardia se denomina "alimentación trasera", es decir, encontrar una forma de mover los cables de alimentación por debajo del transistor a la parte "trasera" del chip y dejar así la interconexión o la parte "delantera" centrada únicamente en la interconexión.

Parece bastante obvio, ¿verdad? ¿Por qué no se ha hecho siempre así? Por dos sencillas razones: La forma antigua es más sencilla de hacer y, como se ha dicho, en la mayoría de los casos no era un problema.

Pero Intel lo tiene claro.

La solución de energía trasera de Intel se llama PowerVia, y dos nuevos documentos que se publicarán en el 2023 VLSI Symposium muestran que Intel ha ideado un proceso para fabricarla, probarla y demostrar resultados de rendimiento positivos. La parte de "probarla" es la más importante, pero la de fabricarla es la más sorprendente. Descarta la fabricación de pizzas. Por primera vez, la fabricación de chips tiene dos caras.

Funciona así: Los transistores se fabrican primero, como antes, y después se añaden las capas de interconexión. Ahora viene la parte divertida: dar la vuelta a la oblea y "pulirlo todo", señala Sell, para dejar al descubierto la capa inferior a la que se conectarán los cables (bueno, capas de metal... todos estos "cables" son microscópicos) de alimentación. "Lo llamamos tecnología de silicio", añade, "pero la cantidad de silicio que queda en estas obleas es realmente diminuta".

Después del pulido, "ahora sólo tienes unas pocas capas de metal y todas son muy gruesas", explica Sell; recuerda que vive en el país de los nanómetros, por lo que "gruesas" significa apenas micrómetros. Esto deja "un camino muy directo para la entrega de potencia al transistor".

Las ventajas de coste, rendimiento y potencia superan la complejidad

Las ventajas de este enfoque son múltiples, confirma Sell, y superan la complejidad añadida del nuevo proceso.

Los cables de alimentación, por ejemplo, pueden ocupar hasta un 20% de ese espacio en la cara frontal, por lo que, sin ellos, las capas de interconexión pueden "relajarse". "Eso compensa con creces el coste de todo este gran proceso", señala Sell, simplificando lo que había sido la parte más tortuosa del flujo de fabricación. El efecto neto es que el proceso de flip-it-over en dos partes es en realidad más barato que el antiguo.

Las ventajas no se limitan a la fabricación. El chip de prueba que el equipo de Intel utilizó para probar el método -denominado Blue Sky Creek y basado en el núcleo eficiente (E-core) del próximo procesador Meteor Lake de Intel para PC- demostró que PowerVia resolvía los dos problemas causados por el antiguo método de la pizza. Con cables separados y más gruesos para la alimentación y la interconexión, "se obtiene una mejor entrega de energía y se consigue un mejor cableado de señal".

Para el usuario medio de ordenador, esto significa una velocidad más eficiente. Hacer el trabajo más rápido y con menos energía, la promesa de la Ley de Moore cumplida de nuevo. Como concluye secamente el segundo documento, "El núcleo Intel E-core diseñado con PowerVia demuestra una mejora de la frecuencia de >5% y una densidad de celdas de >90% con tiempos de depuración aceptables como Intel 4". Sell confirma que se trata de un aumento "sustancial" de la frecuencia por el mero hecho de mover cables.

Un chip de prueba único con errores ocultos intencionados

La última parte de esa conclusión - "tiempos de depuración aceptables"- es un logro fundamental junto con las mejoras del producto. Hoy en día, las técnicas de prueba de chips se basan en la accesibilidad de los transistores de esa primera y más baja capa. Ahora que los transistores están situados en el centro del chip, "muchas de esas técnicas han tenido que volver a desarrollarse", afirma Sell.

"Había muchas dudas y vacilaciones, y eso fue probablemente lo más difícil de resolver: cómo depurar este nuevo suministro de energía por la parte trasera". Para complicar aún más las cosas, el equipo de diseño del chip de prueba añadió intencionadamente algunos errores "huevo de Pascua" al chip, sin que el equipo de validación lo supiera. ¿La buena noticia? Encontraron los errores.

"En los dos últimos años hemos avanzado muchísimo en el desarrollo de esas capacidades de depuración y en su comprobación en Blue Sky Creek", afirma Sell.

Esto nos lleva a otra novedad sobre cómo Sell y el equipo de Intel han descubierto la receta de PowerVia. PowerVia se introducirá en el silicio fabricado por Intel a partir del nodo Intel 20A, que entrará en producción en 2024 (Intel 20A también será testigo de la introducción de un nuevo diseño de transistor de puerta perimetral denominado RibbonFET; los clientes de Intel Foundry Services podrán beneficiarse de ambas innovaciones en el posterior nodo Intel 18A, que llegará más tarde, en 2024). Para aislar el desarrollo de PowerVia, tomaron los transistores bien probados del nodo de proceso Intel 4 precedente y construyeron un nodo intermedio especial con el diseño de alimentación e interconexión previsto para Intel 20A.

Un nodo de proceso de prueba especial para aislar la alimentación trasera

Y aunque los equipos de fabricación y diseño de Intel suelen crear todo tipo de chips de prueba Frankenstein para probar nuevos diseños y propiedades intelectuales y para solidificar los procesos de silicio, no suelen hacerlos tan funcionales y completos como Blue Sky Creek. En este caso, los equipos necesitaban verificar no sólo que podían construir y probar un chip de esta forma, sino también que la nueva configuración no traería nuevos problemas al producto final.

Por ejemplo, el calor. "Normalmente se utiliza el lado del silicio también para disipar el calor", explica Sell. "Así que ahora se han intercalado los transistores y la pregunta es: '¿Tenemos un problema térmico? ¿Tenemos mucho calentamiento local?". Llegados a este punto, seguro que adivinas la respuesta: no.

"Lo más asombroso", recuerda Sell, "fue que a pesar de estos cambios radicales" -sandwichar los transistores en medio del chip e introducir este fuerte "pulido" en el proceso- "pudimos hacer que los transistores tuvieran un aspecto muy, muy parecido al que teníamos en Intel 4."

En cuanto a PowerVia, no tiene rival. Según informes recientes, la introducción de PowerVia prevista por Intel para 2024 situaría a sus competidores "aproximadamente dos años por detrás" en lo que a potencia trasera se refiere.

"Al menos para este periodo de tiempo", confirma Sell, "tenemos una opción de suministro de potencia trasera bastante competitiva".

La primera oportunidad de sentir las numerosas ventajas de PowerVia llegará el año que viene en forma de Arrow Lake, un procesador Intel de nueva generación para PC fabricado con el proceso Intel 20A. Sus miles de millones de transistores estarán invertidos, trabajando con más eficiencia que nunca.