Analizamos qué chips van a tener 2 nm y qué podemos esperar de esta litografía.
La carrera por ofrecer la mejor litografía en chips ya no es invisible, es un hecho notorio que vemos día a día en las noticias que surgen de TSMC, Samsung o Intel. TSMC lidera la litografía avanzada con procesos de fabricación vanguardistas, quedándose Samsung en segundo lugar e Intel recuperando algo de terreno. ¿Qué cambiará con chips cómo estos? Vamos a analizarlo.
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La teoría dice que los procesadores y SoC fabricados en un proceso de 2 nm supondrán una evolución en el rendimiento y en la eficiencia energética. Ese es el objetivo principal que se persigue al asumir más coste de fabricación derivado de un proceso más nuevo.
Abhijeet Chakraborty, arquitecto de software en Synopsys, dijo lo siguiente:
La expectativa de un cliente que desea adoptar la tecnología de 2 nm, si viene de 3 nm a 2 nm, es un rendimiento promedio entre un 10 % y un 15 % más rápido, un consumo de energía entre un 20 % y un 30 % menor y, por supuesto, una densidad de transistores un 15 % mayor aproximadamente.
En escritorio, lo que el cliente busca es más rendimiento, más FPS y una experiencia más rápida. Es cierto que importa el consumo y las temperaturas, pero lo cierto es que los Ryzen 9000, con un proceso de 4 nm, han logrado ser una opción muy eficiente y fresca.
Luego, la expansión de la IA ha elevado el precio aún más porque, ahora, los SoC y las CPUs deben llevar NPU con el fin de hacerles más eficientes. El panorama es que muy pocos chips van a venir en un proceso de 2 nm entre 2026 y 2027, debido al elevado coste de fabricación.
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El rendimiento que ofrecen nodos de 3, 4 o 5 nm es excelente, poniendo difícil justificar avanzar a 2 nm y gastarte el doble en una oblea. Entonces, ¿nunca avanzamos a 2 nm?
Los enfoques del futuro apuntan a una integración heterogénea para dejar atrás los chips monolíticos. Intel ha empezado a usar distintas litografías en un mismo chip para economizar su fabricación sin que afecte demasiado al rendimiento. Igualmente, AMD siempre usa una litografía para el encapsulado de los núcleos y otra para el E/S.
Por el momento, a nivel doméstico, será más probable ver chips con distintos nodos (entre ellos 2 nm), que ver un chip completo fabricado en 2 nm por razones de economía y competitividad. Eso sí, en el mundo datacenters y demás, ya se están diseñando productos con 2 nm.
Ben Sell, vicepresidente y Director general de desarrollo en Intel, dijo lo siguiente:
Lo que observamos en los nodos de 2 nm es una progresión constante en términos de mayor densidad de potencia.
(…) Pero no se trata solo de rendimiento. Gran parte de esto se refiere al rendimiento por vatio y a la cantidad de área que se puede reducir.
Esto lo decía en referencia a los procesadores Panther Lake, que tienen el mosaico Compute fabricado en su proceso de 18A. De hecho, afirmaba estar cerca de incluir el proceso de 14A para soluciones domésticas, aunque no hemos vuelto a saber mucho de ello.
La principal razón es sencilla: más rendimiento>más frecuencia>más calor>más refrigeración. Con un proceso de 2 nm puedes instalar más transistores en el mismo espacio, traduciéndose en más procesamiento con la misma energía. Ahora bien, si las temperaturas son demasiado altas, existe un problema: el calor. Así que, el avance no queda tan claro como hace años.
En escritorio y portátiles lo tenemos «fácil», pero en dispositivos móviles (tablets, smartphones, smartwatches) o en servidores… tenemos un problema. Desde la llegada de los transistores FinFET y los avances de litografías, se han generado muchos problemas térmicos por aumentar la potencia.
Por eso, Samsung investigó los transistores GAAFET y otras variantes, incluso materiales como el molibdeno. Al final, son las leyes de la termodinámica en acción y hay que hacer compensaciones.
¿Quién puede fabricar un chip de 2 nm que sea fiable? TSMC lidera este negocio y ya ha comenzado la producción en masa de su N2, caracterizada por integrar transistores GAA. Sin embargo, la capacidad de la producción de chips con interposer CoWoS-L es una de las claves: no hablamos de obleas normales.
CoWoS-L coloca varios chips sobre un interposer para un cableado de ultra alta densidad, teniendo un problema principal: la dilatación térmica. Ésta puede provocar deformaciones, fallos de conexión y una casuística variada en cuanto a la cantidad de problemas que puede dar el chip.
NVIDIA habría comprado el 70% de la producción de chips CoWoS-L, provocando una escasez de encapsulados avanzados. ¿Qué fabrican con CoWoS? Los procesadores AMD con 3D V-Cache, por ejemplo, ya que apilan memoria caché L3 y la interconectan con un interposer.
Próximamente, los Intel bLLC, que sería la competencia directa de AMD X3D en plataformas domésticas. Pero, si nos vamos a un sector profesional, los EPYC o los Intel Xeon vienen con mucha caché en su interior.
Es decir, TSMC tiene un cuello de botella porque sus clientes no piden obleas de 2 nm sencillas, sino que le solicitan CoWoS-L mucho de ellos. De hecho, NVIDIA ya es su primer cliente en cola para el proceso A16 de TSMC: los 1.6 nm con fuente Super Power Rail.
A esto debemos añadir que TSMC ya ha tenido que retrasar la entregas de Blackwell varias veces por problemas de rendimiento de CoWoS-L, como por capacidad limitada.
Desde los 14 nm hasta los 5 nm, hemos visto un avance rápido y óptimo en la hoja de ruta de TSMC, fabricando chips de 7 y 5 nm que no han dado prácticamente ningún problema. No se puede decir lo mismo de una Intel que se ha enfrentado a más dificultades al pasar de 10 a 7 nm en sus procesadores.
Hemos vivido un avance demasiado rápido de litografía, sumado a un aumento de demanda de datacenters por la IA y a una expansión tecnológica sin precedentes en dispositivos móviles. TSMC ya lo tenía difícil para cumplir con la fabricación de pedidos, así que imaginad invertir miles de millones de dólares en maquinaría, fábricas o I+D con el fin de avanzar de 5 a 3 nm.
Con los 3 nm ya teníamos problemas presupuestarios: el coste por oblea se disparaba un 50%. ¿Avanzar a 2 nm merece tanto la pena? En otras ocasiones, como el avance de 7 a 6 nm, no fue grande la mejora en rendimiento y consumos; al igual que ha ocurrido con 5 y 4 nm.
Los saltos de 2-3 nanómetros sí que se notan en los chips, de ahí que avanzar de 5 a 3 nm es interesante para AMD, NVIDIA, Qualcomm, Samsung o Intel. Los de Intel ya usan su proceso 18A que equivale a 1.8 nm y que usa transistores GAA con nanohojas, al menos lo han estrenado en Panther Lake.
TSMC ha destinado 2 fábricas (Fab 20 y Fab 22) para toda la producción de 2 nm, y las mejoras de rendimiento no solo vendrán por el avance de litografía, sino por el paso de FinFET a GAA. Hablan de un rendimiento de 10-15% más y una eficiencia de 25-30%. Todo ello requerirá un período de adaptación y, tras ese cambio importante, pueden surgir fallos.
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