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¿Cómo fabrica Intel un chip?

La investigación y desarrollo de un nuevo chip cuesta 2 mil millones de dólares y construir una fábrica, para producirlos alrededor de 8 mil 500 millones de dólares
Bloomberg
29 septiembre 2016 21:4 Última actualización 30 septiembre 2016 13:39
Intel rara vez habla sobre cómo crea un nuevo chip. La reticencia es comprensible teniendo en cuenta que el desarrollo y la fabricación de un nuevo microprocesador es una de las apuestas más grandes y arriesgadas en el negocio.

Intel rara vez habla sobre cómo crea un nuevo chip, debido a que el desarrollo y su fabricación son una de las apuestas más grandes y arriesgadas en el negocio.

Antes de entrar en la sala estéril en el D1D, como Intel llama su fábrica de microprocesadores de 480 metros cúbicos en Hillsboro, Oregon, debes lavarte cuidadosamente las manos y la cara. Deberías probablemente vaciar tu vejiga, no hay baños en la sala estéril. El maquillaje, perfume y cosméticos están prohibidos.

Los instrumentos de escritura están permitidos, siempre y cuando sean bolígrafos especiales estériles; el papel, que arroja partículas microscópicas, está absolutamente prohibido. Si deseas escribir sobre algo, tienes que utilizar lo que se conoce en la industria como "material de documentación de alto rendimiento", un producto parecido al papel que no libera fibras.

Después de ponerte una red para el cabello, tu próxima parada es la estación de uso de batas, dentro de una habitación a presión que se encuentra entre el mundo exterior y la propia sala estéril.

Una dura brisa, lanzada por un sistema de limpieza que ocupa el equivalente a cuatro campos y medio de futbol americano, te golpea cuando entras, eliminando polvo, pelusas, pelos de perro, bacterias. Te pones el primer par de guantes y a continuación un traje blanco con capucha y un tapabocas como los usados en cirugías, seguido de otro par de guantes, otro par de cubiertas para zapatos y gafas de seguridad. Ninguna de estas medidas es por tu seguridad; protegen a los chips de ti.

Una vez dentro, el aire de la sala estéril es el más puro que hayas respirado nunca. Tiene una pureza clase 10, lo que significa que por cada pie cúbico de aire no puede haber más de 10 partículas de más de media micra, que es aproximadamente del tamaño de una pequeña bacteria.

En el quirófano de un hospital excepcionalmente limpio puede haber hasta 10 mil partículas del tamaño de una bacteria sin que generen ningún riesgo especial de infección. En el mundo exterior, hay alrededor de 3 millones.

La sala tiene poca iluminación y todo está en silencio salvo por el ronroneo de las máquinas, que parecen fotocopiadores gigantes y cuestan 50 millones de dólares cada una.

Los chips se hacen creando minúsculos patrones en un disco de silicio de 12 pulgadas, empleando en parte un proceso llamado fotolitografía y depositando capas ultradelgadas de material. Estas finísimas ‘obleas’ se guardan en portadores cerrados llamados “foups” transportados por cientos de robots, el aire en esos portadores es clase 1, por lo tanto probablemente no contiene partículas.

La oblea es periódicamente bañada con una forma de agua tan pura que no se encuentra en la naturaleza; es tan puro que es letal, si se tomara demasiado de ella, quitaría todos los minerales esenciales de tus células y te mataría.

En los próximos tres meses (tres veces más el tiempo que le toma a Boeing fabricar un solo avión Dreamliner) estas obleas serán transformadas en microprocesadores luego de someterse a 2 mil pasos de litografía, grabado, aplicación de material y más grabado.

Luego será recortado a sus dimensiones finales y guardado en una caja de cerámica. Si todo funciona correctamente, ninguna de las aproximadamente 100 mil personas que trabajan en Intel nunca los tocará directamente. El resultado de este milagro mecanizado: el Intel Xeon E5 v4, el más reciente chip para servidores de la compañía y el motor de internet.

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Muy secreto

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Chip


Intel rara vez habla sobre cómo crea un nuevo chip. La reticencia es comprensible teniendo en cuenta que el desarrollo y la fabricación de un nuevo microprocesador es una de las apuestas más grandes y arriesgadas en el negocio.

La simple construcción de una fábrica capaz de producir un chip como el E5 cuesta al menos 8,500 millones de dólares (mdd), según Gartner, y eso no incluye los costos de investigación y desarrollo (2,000 mdd) o de diseñar el trazado del circuito (más de 300 mdd). Todo el proceso puede tomar hasta cinco años o más. "Si necesitas gratificación a corto plazo, no seas un diseñador de chips", dice Pat Gelsinger, ejecutivo en jefe de VMware y quien recientemente se desempeñaba como director de tecnología de la compañía.

Un chip E5 es del tamaño de un sello postal, se vende por cuatro mil 115 dólares, y utiliza un 60 por ciento más de energía por año que un refrigerador Whirlpool. Los usas siempre que haces búsquedas en Google, pides un Uber o dejas que tus hijos vean el último episodio de su serie favorita en el auto.

Estas proezas de la informática a menudo se atribuyen al auge de los teléfonos inteligentes, pero el trabajo sucio lo hacen miles de servidores. Y prácticamente todos esos servidores llevan en sus entrañas chips de Intel.

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UN POCO DE HISTORIA

 

CHIPS

Intel, con sede en Santa Clara, California, creó el primer microprocesador en 1971 y para los años noventa, bajo el liderazgo de Andy Grove, ya se había convertido en una potencia, vendiendo los chips que llevaban la mayoría de las computadoras personales. Pero las ventas de las PC han caído en los últimos cinco años con el apogeo de los smartphones, e Intel reaccionó tarde para desarrollar chips de baja potencia adecuados para esos dispositivos.

Así, la compañía anunció recientemente el despido de 11 por ciento de su plantilla, para “reinventarse” en palabras del CEO Brian Krzanich.

Intel aún es el mayor fabricante mundial de chips, y vende el 99 por ciento de los chips que van en los servidores, según la firma IDC. El año pasado su Data Center Group tuvo ingresos por cerca de 16 mil millones de dólares, la mitad fueron ganancias.

Este dominio es consecuencia de los fallos de los competidores y la disposición de Intel para gastar lo necesario para asegurar cada año mejoras sustanciales y predecibles de sus productos. "Nuestros clientes esperan recibir un incremento del 20 por ciento en el rendimiento al mismo precio que pagaron el año pasado", dice Diane Bryant, gerente de la división de centros de datos de la compañía. “Ese es nuestro mantra”

En PCs y móviles, esta estrategia tiene sus límites: a los consumidores simplemente les importa hasta cierto punto la velocidad y eficiencia. Pero en los servidores, en los centros de datos operados por compañías como Amazon.com y Microsoft que compiten por el derecho a manejar los datos para los Netflix y Ubers del mundo, el rendimiento es de suma importancia.

Esta estrategia de mejora continua es vital en el ámbito de lo servidores, la electricidad necesaria para operar y enfriar los servidores es el mayor gasto en una granja de servidores. Si Intel puede ofrecer más potencia por la misma cantidad de electricidad, los dueños de centros de datos actualizarán una y otra vez los chips.
Los microprocesadores están en todas partes. En el televisor, el coche, el router Wi-Fi y en la última generación de refrigeradores. Incluso en focos conectados a la red y en algunos tenis. Estos dispositivos son, en cierto sentido, computadoras, lo que significa que están hechos de transistores.

Un transistor es un switch. Pero en lugar de apagarlo o encenderlo con un dedo usa pequeños pulsos eléctricos (3 mil millones por segundo en el caso de un ordenador potente). ¿Qué puedes hacer con un switch? Bueno, se puede utilizar para almacenar exactamente un bit de información. Encendido o apagado, sí o no, 0 o 1, estos son ejemplos de datos que pueden ser transmitidos en un solo bit. (Hay 8 bits en un byte, 8 mil millones en un gigabyte).

Las primeras computadoras almacenaban los bits en tarjetas perforadas, pero eso era limitante, ya que si quieres hacer algo realmente interesante, se necesitan una gran cantidad de bits. Por ejemplo, si deseas que tu computadora almacene las palabras "Dios, esto se complica", necesitaras 8 bits para cada letra o 176 transistores.

Otra cosa que puede hacer con un switch es matemáticas, si encadenas siete switches entre sí en el orden correcto y puedes sumar dos números pequeños. Si encadenas 29 mil de ellos tienes el chip que alimentaba la IBM PC original de 1981; si embutes 7.2 mil millones en una E5 puedes predecir los patrones del clima, secuenciar un genoma humano e identificar los depósitos de petróleo y gas bajo el suelo marino.

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EL NEGOCIO

 

CHip2

Cada tres años más o menos, Intel reduce las dimensiones de sus transistores en un 30 por ciento. Pasó de 32 nanómetros en 2009 a 22 en 2011 y a 14 en el 2014. Cada uno de esos saltos a los switches más pequeños significa que los diseñadores de chips pueden meter el doble de éstos en la misma área. Este fenómeno se conoce como la Ley de Moore, y ha permitido desde hace medio siglo que cada tres años compres un chip por lo menos dos veces mejor que el anterior.

Pero reducir su tamaño es sólo parte del desafío, otra parte es controlar un repertorio cada vez más complejo de interconexiones, ese mar de filamentos que enlazan a los transistores entre sí. El chip Xeon lleva 13 capas de hilos de cobre, algunos más delgados que un virus. El diseño del chip es, en consecuencia, un problema de trazado.

“Es como diseñar una ciudad”, dice Mooly Eden, ingeniero jubilado de Intel que dirigió la división de PC. Pero la analogía con la planeación urbana tiene sus límites: un diseñador de chip debe meter el equivalente de toda la población mundial en una pulgada cuadrada, y hacerlo de tal modo que la computadora tenga acceso a cada transistor individual 3 mil millones de veces por segundo.

Otra manera de hacer que un chip sea más veloz es añadirle circuitos especiales que sólo hagan una cosa, pero la hagan muy rápido. Casi el 25 por ciento de los circuitos del E5 están especializados en, por ejemplo, comprimir video y encriptar datos. Hay otros circuitos especiales en el chip, pero Intel no puede revelarlos porque fueron creados para sus principales clientes, los llamados Súper 7: Google, Amazon, Facebook, Microsoft, Baidu, Alibaba y Tencent. Esas empresas compran servidores alimentados con procesadores Xeon por el orden de cientos de miles.

Con cada generación de transistores cada vez más pequeños la apuesta crece. Krzanich advierte que hoy tardan dos veces más en fabricar un chip que hace 10 años. El nuevo E5 comenzó a fabricarse masivamente a principios de este año, en Arizona y en Irlanda, en los próximos doce meses la compañía venderá millones.