Durante más de 50 años, los diseñadores de chips de computadora han utilizado principalmente una táctica para aumentar el rendimiento: han reducido los componentes electrónicos para agregar más potencia a cada pieza de silicio.
Luego, hace más de una década, los ingenieros del fabricante de chips Advanced Micro Devices se pusieron a trabajar con una idea radical. En lugar de diseñar un solo microprocesador grande con una gran cantidad de pequeños transistores, imaginaron crear un solo procesador a partir de chips más pequeños muy juntos para actuar como un solo cerebro electrónico.
El concepto, a veces llamado chiplets, se ha popularizado a lo grande, con AMD, Apple, Amazon, Tesla, IBM e Intel ofreciendo todos estos productos. Los chiplets ganaron terreno rápidamente porque los chips más pequeños son más baratos de fabricar, mientras que los paquetes de ellos pueden superar a cualquier chip de silicio.
Desde entonces, la estrategia, basada en tecnología de encapsulación avanzada, se ha convertido en una herramienta esencial para permitir avances en semiconductores. Marca uno de los mayores cambios en años en una industria que impulsa innovaciones en áreas como la inteligencia artificial, los automóviles autónomos y el hardware militar.
“El empaque es donde estará la acción”, dijo Subramanian Iyer, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de California, Los Ángeles, quien ayudó a ser pionero en el concepto de chip. “Sucede porque realmente no hay otra manera”.
El problema es que ese empaque, al igual que la fabricación de los propios chips, está dominado en gran medida por empresas de Asia. Aunque Estados Unidos representa alrededor del 12 por ciento de la producción mundial de semiconductores, las empresas estadounidenses suministran solo el 3 por ciento del empaque de chips, según el consorcio comercial IPC.
Este tema ha aterrizado ahora en medio del proceso de elaboración de políticas industriales en los Estados Unidos. La Ley CHIPS, un paquete de apoyo de 52.000 millones de dólares que se aprobó el verano pasado, se considera una medida del presidente Biden para revitalizar la industria nacional de chips proporcionando dinero para construir fábricas más avanzadas llamadas “fabs”. Pero parte de esto también tenía como objetivo impulsar plantas de empaque avanzadas en los EE. UU. para capturar más de este proceso central.
“A medida que los chips se hacen más pequeños, la forma en que se organizan los chips, que es el empaque, se vuelve más importante y lo necesitamos en Estados Unidos”, dijo la secretaria de Comercio Gina Raimondo, en un discurso en la Universidad de Georgetown en febrero.
El Departamento de Comercio ahora está aceptando solicitudes para subvenciones de fabricación de la Ley CHIPS, incluidas las plantas de envasado de chips. También está asignando fondos para un programa avanzado de investigación de envases.
Algunas empresas de envases de aluminio se están moviendo rápidamente para obtener financiación. Uno es Integra Technologies de Wichita, Kansas, que anunció planes para una expansión de 1.800 millones de dólares allí, pero dijo que eso dependía de recibir subsidios federales. Amkor Technology, un servicio de empaque de Arizona que tiene la mayoría de sus operaciones en Asia, dijo que ha estado hablando con clientes y funcionarios gubernamentales sobre tener producción en los Estados Unidos.
Envolver chips juntos no es un concepto nuevo, y los chips son solo la última versión de esa idea, utilizando avances tecnológicos que ayudan a que los chips se amontonen, ya sea uno al lado del otro o apilados uno encima del otro, junto con conexiones eléctricas más rápidas entre ellos. .
“Lo único de los chiplets es la forma en que están cableados eléctricamente”, dijo Richard Otey, director ejecutivo de Promex Industries, un servicio de empaque de chips en Santa Clara, California.
Los chips no pueden hacer nada sin una forma de conectarlos a otros componentes, lo que significa que deben colocarse en algún tipo de recinto que pueda transportar señales eléctricas. Este proceso comienza después de que las fábricas completan la etapa inicial de fabricación, que puede producir cientos de chips en una oblea de silicio. Una vez que se corta la oblea, las obleas individuales generalmente se unen a un sustrato subyacente llamado sustrato, que puede conducir señales eléctricas.
Luego, este ensamblaje se encierra en plástico protector, formando un paquete que se puede unir a una placa de circuito necesaria para conectar a otros componentes del sistema.
Estos procesos originalmente requerían mucho trabajo manual, lo que llevó a las empresas de Silicon Valley a trasladar los envases a países de bajos salarios en Asia hace más de 50 años. La mayoría de los chips suelen transportarse a servicios de embalaje en países como Taiwán, Malasia, Corea del Sur y China.
Desde entonces, los avances en el empaque han cobrado importancia debido a los rendimientos decrecientes de la Ley de Moore, la forma abreviada de miniaturización de chips que durante décadas condujo a avances en Silicon Valley. Lleva el nombre de Gordon Moore, cofundador de Intel, cuyo artículo de 1965 describió la rapidez con que las empresas duplicaron la cantidad de transistores en un chip típico, mejorando el rendimiento a un costo menor.
Pero en estos días, los transistores más pequeños no son necesariamente más baratos, en parte porque la construcción de fábricas para chips de alta gama puede costar entre 10.000 y 20.000 millones de dólares. Los chips grandes y complejos también son costosos de diseñar y tienden a tener más defectos de fabricación, incluso cuando las empresas en áreas como la inteligencia artificial generativa quieren tener más transistores de los que permiten actualmente los fabricantes de chips más grandes.
“La respuesta natural a eso es poner más cosas en un solo paquete”, dijo Anirudh Devgan, CEO de Cadence Design Systems, cuyo software se usa en el diseño tradicional de chips y productos estilo chip.
Synopsys, un competidor, dijo que estaba rastreando más de 140 proyectos de clientes basados en empaquetar varios chips juntos. Hasta el 80 por ciento de los microprocesadores utilizarán diseños estilo chip para 2027, según la firma de investigación de mercado Yole Group.
Hoy en día, las empresas suelen diseñar todos los Chiplets en un paquete junto con su propia tecnología de comunicación. Pero los grupos de la industria están trabajando en estándares técnicos para que las empresas puedan agrupar más fácilmente productos de tablones que provienen de diferentes fabricantes.
La mayoría de las nuevas tecnologías se utilizan ahora para lograr un rendimiento superior. Intel presentó recientemente un procesador llamado Ponte Vecchio con 47 chips que se usará en una poderosa supercomputadora en el Laboratorio Nacional Argonne cerca de Chicago.
En enero, AMD reveló planes para un producto inusual, el MI300, que combina conjuntos de chips de cómputo estándar con otros diseñados para gráficos de computadora, junto con una gran cantidad de chips de memoria. Este procesador, que está destinado a impulsar otra supercomputadora avanzada en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, contiene 146 mil millones de transistores, en comparación con las decenas de miles de millones de los chips convencionales más avanzados.
No fue fácil para la compañía apostar su negocio de chips para servidores en chipsets, dijo Sam Naffziger, vicepresidente senior de AMD. Las complejidades del empaque fueron un obstáculo importante, dijo, que finalmente se superó con la ayuda de un socio no revelado.
Pero los chiplets han valido la pena para AMD. La empresa ha vendido más de 12 millones de chips basados en la idea desde 2017, según Mercury Research, y se ha convertido en un jugador importante en los microprocesadores que impulsan la Web.
Packaging Services aún necesita que otros suministren los sustratos que las tablas requieren para conectarse a las placas de circuito y entre sí. Una empresa que impulsa el auge de los chips es Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, que ya fabrica chips para AMD y cientos de otros, y ofrece un sustrato avanzado basado en silicio llamado intercalador.
Intel está desarrollando una tecnología similar, además de mejorar los sustratos de plástico tradicionales menos costosos en un enfoque favorecido por algunos como la empresa emergente de Silicon Valley, Elian. Intel también está desarrollando nuevos modelos de empaque bajo el programa del Pentágono y espera obtener el apoyo de la Ley CHIP para una nueva planta de empaque experimental.
Pero Estados Unidos no tiene grandes fabricantes de esos sustratos, que se producen principalmente en Asia y evolucionaron a partir de tecnologías utilizadas para fabricar placas de circuitos. Muchas empresas estadounidenses también están abandonando el negocio, y otra preocupación es que los grupos de la industria esperan poder estimular la financiación federal para ayudar a los proveedores de tablas a comenzar a fabricar zancos.
En marzo, el Sr. Biden decretó que los empaques avanzados y la producción nacional de placas de circuitos eran esenciales para la seguridad nacional, y anunció $50 millones en fondos de la Ley de Producción de Defensa para empresas estadounidenses y canadienses en esas áreas.
Incluso con tales subsidios, reunir todos los elementos necesarios para reducir la dependencia estadounidense de las empresas asiáticas “es un gran desafío”, dijo Andreas Olofsson, quien dirigió los esfuerzos de investigación del Departamento de Defensa en esta área antes de fundar una startup de empaques llamada Zero ASIC. “No tienes proveedores. No tienes mano de obra. No tienes equipos. Tienes que empezar de cero”.
ana swanson Contribuir a la elaboración de informes.