Semiconductores: una industria nada barata…

23/07/2021 Isaac 1237 Views 0 Comments

Los gastos en la industria de semiconductores son realmente elevados, aunque generalmente estos costes son bastante desconocidos para la mayoría de los mortales. En ocasiones, este sector es algo opaco en cuanto a los precios que se manejan, pero en este artículo pondré algo de luz para que puedas comprobar cuál es el coste de la fabricación de chips.

Seguro que jamás imaginabas que todo podía costar tanto para unos circuitos integrados que, en ocasiones, se venden por precios muy reducidos (con la excepción de los más avanzados). Unos precios finales que no reflejan el coste real puesto que la fabricación masiva permite camuflarlos y hacer que sea un sector rentable…

Esta industria es bastante opaca en cuanto a costes. No se suele encontrar los precios en la red. Ni siquiera en la web de los proveedores de equipamiento lo especifican.

Iniciativas para la reducción de costes

La industria de los semiconductores ha venido implementando algunas soluciones para abaratar costes y avanzar hacia una producción más rentable. Desde reducir la cantidad de materiales y energía necesaria, hasta otras medidas que permiten producir más en menor tiempo.

Una de las medidas más evidentes para reducir costes de producción ha sido el hecho de ir aumentando el tamaño de los wafers u obleas. Desde 1″ (25mm) en 1960, pasando por los 2″ (51mm) de 1969, 3″ (72mm) de 1972, 4″ (100mm) de 1976, hasta llegar a las de 150, 200mm (53 gramos de peso) y 300 mm (235 gramos de peso). Las de 300 mm se introdujeron en 2002 y siguen estando vigentes actualmente, pese a que se planearon las de 450mm.

Actualmente, algunas fabs de dispositivos menos complejos y nodos de fabricación algo menos avanzados, aún siguen usando obleas de 200mm.

El motivo de la resistencia para adoptar las obleas de 450mm es porque solo suponen un ahorro en los costes en otro tipo de equipamiento de la fab. Sin embargo, no supone ninguna reducción en costes en la maquinaria de fotolitografía, que es precisamente la parte más costosa de esta industria.

Por cierto, mientras el tamaño ha ido creciendo el espesor, para que no se volvieran frágiles, ha ido aumentando. Desde los 275 μm de las de 2″ hasta 775 μm de las de 300mm.

Por supuesto, para crear estas obleas se necesita también aumentar el tamaño del ingot puller, o la maquinaria de crecimiento Czochralski para el crecimiento del cristal para obtener los llamados lingotes que luego se lonchean para crear las obleas.

Estas maquinarias son creadas por varias empresas, como pueden ser PVA TePla, Ferrotec Global, etc. Y estos equipamientos también han crecido con el tiempo, lo que también ha hecho necesario ampliar las naves donde se alojan.

1970s: creaban lingotes de 100-150mm de diámetro y un peso de 30-40 Kg, dependiendo del diámetro. La longitud de la maquinaria era de algo más de 4 metros.
1980s: admitían hasta 150-200mm de diámetro, con pesos de 50-80 kg, y alturas de más de 5 metros.
1990s: llegaron las de 300mm de diámetro, con pesos de alrededor de 300 kg y alturas que iban desde los 6 metros y medio hasta los 7.6 metros aproximadamente.
Finales 90 y actualidad: han crecido un poco más hasta los 400 kg y 9.1 metros aproximadamente. Algo que ha posibilitado también admitir obleas de 450mm.

Pese a todos los esfuerzos, mantener un IDM o una foundry a día de hoy es realmente costoso. Tanto que muchas grandes compañías no se lo pueden permitir, por lo que cada vez es más frecuente el modelo fabless. Por supuesto, estas fabless tienen también el coste de diseño y de compra de las obleas a la foundry, y no son baratos…

Tabla de coste Wafer — Estimaciones de los costes de producción de las obleas para diferentes procesos de fabricación de TSMC.
Fuente: RetiredEngineer Twitter (@chiakokhua)

Estos costes son estimaciones, por supuesto, puesto que pueden variar en función de múltiples factores:

El coste de producción del die suele suponer entre el 65 y el 85% del coste total (depende del nodo, área del chip, tipo de oblea, yield,…).
El packaging representa en torno el 13 y el 30% del coste total de producción (depende del tipo de empaquetado y número de pines).
Los tests suponen entre el 3 y el 7% (dependen del tiempo que pasen en el banco de pruebas y el tipo de pruebas).

¿Sabías que…?

Los dispositivos PostPC, o PMD, suelen ser los «conejillos de indias» para los nuevos nodos de fabricación. Por ejemplo, mientras los chips de alto rendimiento se están fabricando con nodo de 7nm, los dispositivos móviles comienzan a hacerlo en 5nm. Puede parecer algo contradictorio, pero no lo es…

Cuando se designa a un proceso de fabricación con un +, o plus, se refiere a un nodo mejorado. Por ejemplo, un 7nm+ es una mejora del 7nm (N7), y un 7nm++ es una mejora más avanzada aún. Por ejemplo, podría suponer un cambio de DUV a EUV, mejoras de densidad de integración (medida en mT/mm²), nuevas estructuras, nuevos materiales, etc.

También puedes encontrar otras designaciones como 7nm LPE (Low Power Early), LPP (Low Power Plus), LPU (Low Power Ultimate), HPM (Hight Performance Mobile), HPC (High Performance Compact), G (General purpose), SOC (para SoCs), FF y FFC (FinFET y FinFET Compact), etc. Estos se refieren a optimizaciones para un nicho concreto, como los chips de bajo consumo, los de alto rendimiento, etc. Varían en función de la foundry, por ejemplo: Samsung usa LPS, LPP, LPH, FDS; TSMC usa G, LP, HP, HPM, HPC, SOC, FF, FCC; Intel usa FFL; GF usa FDX, LP,…

El motivo de que los dispositivos móviles sean los primeros en estrenar un nuevo nodo es por la madurez de la propia tecnología del proceso y el coste. Cuando aparece por primera vez 7nm, los resultados no son los más ópticos. Con el tiempo se irá minimizando el coste y se mejorará el rendimiento. Por tanto, será más válido para chips avanzados de alto rendimiento. Además, también se mejora el yield, minimizando la tasa de errores en cada oblea, lo que resulta en una base más sólida para los chips avanzados, que suelen tener un mayor tamaño de superficie.

Un ejemplo lo tienes en la microarquitectura AMD Zen 2. Los primeros Ryzen 3000-Series se fabricaron con nodo de 7nm como chiplets, con un área de unos 100mm². Varios meses más tarde, se lanzaron los Ryzen 4000-Series, que eran monolíticos y con una superficie mayor.

Un SoC para un smartphone, por ejemplo, puede tener unas dimensiones de unos 120 mm². Un tamaño reducido que haría rentable fabricar en ese nodo incluso si el yield no es tan bueno. Eso sería in-asumible para troqueles de CPUs de alto rendimiento con superficies que pueden duplicar o triplicar esa superficie.

Además, la enorme cantidad de dispositivos móviles que se venden hace que los márgenes de beneficios sean mayores para permitirse financiar el coste de despliegue del nuevo nodo de fabricación. En un sector como el HPC, por ejemplo, la cantidad de CPUs que se venderían de una serie no se vende de forma tan masiva.

Por otro lado, los voltajes y frecuencias de reloj cuando se estrena un nuevo nodo suelen ser inferiores, hasta que no se logra optimizar. Por ello, no sería lógico estrenarlo con chips de alto rendimiento.

Cuando el nodo ya se considera algo más maduro, los primeros diseños de alto rendimiento en probar la nueva tecnología siempre suelen ser los destinados para portátiles o de bajo consumo.

Algunas cifras…

Veamos algunas de las cifras que se están barajando en este sector industrial, algunas de ellas son realmente impactantes:

Ten en cuenta que en una fab puede haber varias de estas máquinas para poder mantener un mejor ritmo de fabricación. Es decir, no solo tienen una unidad. Por lo que los costes de una fábrica completa son disparatados.

Pullers para el lingote: pueden costar más de 200.000€ por cada unidad. Puedes encontrar proveedores como VacSol, PVA TePla, Ferrotec Global, etc.
Implantador iónico: van desde 1.6 millones hasta los 5.1 millones de euros. Son creados por empresas como Axcelis, Nissin, SEN y Ulvac.
Reactor de deposición: pueden costar, dependiendo del tipo y las características, hasta 150.000 o 200.000€. Creados por marcas como Picosun, Denton, etc.
Máquina de fotolitografía: puede costar más de 100.000.000€ para los modelos más avanzados de EUV, mientras que los equipos DUV pueden costar la mitad. Por eso es el sistema caro de esta industria, pero también el más crítico. Están fabricadas por empresas como ASML, Nikon, Cannon, KLA-Tencor, Tokyo Electron Limited, etc.
Fotomáscara: suelen tener un coste que va desde los 200€ para una máscara simple, hasta los 82.000€ para una máscara más compleja de las usadas en modernas CPUs, GPUs, SoCs o memorias (y no solo se necesita 1, se pueden necesitar hasta 30 máscaras diferentes por cada diseño de chip, así que multiplica…). Algunas compañías dedicadas a la manufactura de estas máscaras son Dai Nippon Printing, Toppan, Photronics Inc., Hoya Corp., HTA Photomask, Taiwan Mask Corporation, Compugraphics, etc. No obstante, Intel, Globalfoundries, IBM, NEC, TSMC, Samsung, Micron Tecnology, etc., suelen tener sus propias instalaciones para crear sus propias máscaras. Esto se debe a que son objetos de «deseo» para la competencia, y se suelen ocultar con mucho recelo. Además, se estima que es un mercado que mueve anualmente unos 2866 millones de euros. En cuanto a los costes de crear un nuevo taller para su fabricación, suele estar en 33 millones de euros para procesos de 180nm, 83 millones de euros para las de 130nm, y creciendo con forme el nodo del proceso de fabricación se hace más avanzado…
Equipamiento de test: los precios pueden ser muy variados dado el enorme número de dispositivos posibles. Por ejemplo, hay equipos ATE (Automated Test Equipment) que pueden ir desde unos cuantos miles de euros hasta los 58.000€. Aunque sean baratos, se suelen necesitar varios equipos, ya que algunos van dirigidos a pruebas del wafer, otros al die, packaging, etc. Los fabricantes pueden ser MPI Corporation, Cohu, Electron Test, Teradyne, TDL, Advantest, LTX-Credence, Astronics, Chroma, SPEA, Averna, Shibasoku, ChangChuan, Macrotest, Huafeng, etc.
Microscopios: algunos microscopios empleados en esta industria son extremadamente caros. Por ejemplo, un microscopio electrónico de barrido avanzado podría costar más de 1.000.000€.
Equipamiento para el ambiente de la cleanroom: adecuar el ambiente de la sala blanca o sala limpia también es otra de las partes más caras, costando millones de euros. Se deben monitorizar y controlar de forma muy precisa la temperatura y humedad (HR) para mantenerlas en unos parámetros adecuados para no afectar a los procesos o generar problemas de descargas electrostáticas (ESD). Pero lo más caro y complejo son los sistemas de aire, ya que son salsas de clase 1 o superiores (en ciertas cabinas de micro-ambientes). Además, no son espacios pequeños precisamente, ya que algunos pueden tener más de 20.000 m² y unas 13.000 toneladas de equipamiento de tratamiento de aire. No obstante, este tipo de sistemas no se tiene que actualizar cuando hay saltos de nodo, lo que es una buena noticia. Los fabricantes de este tipo de equipos son MKS Instruments, Extract-All, UCT, etc.
Más equipamiento de la fab: la mayoría de las foundries modernas usan también sistemas auxiliares para la automatización. Por ejemplo, los sistemas APM, con sistemas de monitorización, comunicación entre diferentes maquinarias de las etapas de producción, vehículos AGV, sistemas CnC, etc. Unas instalaciones que, como puedes imaginar, tampoco son nada baratas. Por ejemplo, solo un AGV con la instalación de los raíles y sistema de comunicación, podría estar en torno a los 100.000€. Pero ese valor está muy por debajo de los precios pagados en una foundry de gran capacidad, que tienen decenas de AGVs con complejos recorridos por toda la superficie de la sala.
Otros: también existen otros sistemas que también son caros, como los bancos químicos, hornos, cortadora de obleas, spinner, etc. Estos tienen precios muy variables según su tamaño y tipo. Por ejemplo, un spinner puede costar entre 2500 y 3500€ perfectamente, y es uno de los aparatos más baratos de esta lista con diferencia.

Se estima que el mercado de equipamiento y maquinaria para la industria de semiconductores ha crecido hasta los 55,80 mil millones de euros en 2020. Pero se estima que crecerá hasta los 80 mil millones de euros en 2025 y hasta los 98.76 mil millones en 2026.

Como dato, la solo la Fab18, una de las tantas plantas que tiene TSMC (una compañía valorada en 228.000 millones de dólares), ha costado 17.000.000.000$. Y ésta consume energía como una ciudad de unos 100.000 habitantes.

Un mercado que se reparten principalmente corporaciones como Teradyne, Advantest, ASML, ASM Pacific Technology, KLA, Tokyo Electron Limited (TEL), Kokusai Electronic, Lam Research, Applied Materials, Hitachi Hightech. Un buen número de ellas dedicados a la fotolitografía. También habría que destacar otras grandes compañías más focalizadas a nichos más concretos como Plasma Therm, AMEC, FormFactor, EVG, SPTS, y Cohu.

Más información – semi.org