Detalles del Blog

La pregunta suena simple: ¿cuántos chips de 2 nm se pueden fabricar a partir de una sola oblea de silicio de 300 mm?
En realidad, la respuesta revela mucho más sobre la fabricación moderna de semiconductores que un solo número. Implica geometría, estadísticas de rendimiento, compensaciones de diseño y los límites físicos de los procesos avanzados.

Este artículo presenta un cálculo realista, orientado a la ingeniería, que separa los máximos teóricos de lo que realmente sale de una fábrica de semiconductores.

1. ¿Qué significa realmente “2 nm”?

A pesar de su nombre, el nodo de tecnología de 2 nm no representa una dimensión física literal. Los nodos modernos son convenciones de marca que reflejan mejoras en la densidad de transistores, el rendimiento y la eficiencia energética, en lugar de las longitudes de puerta reales.

Un proceso típico de clase de 2 nm incluye transistores gate-all-around o nanosheet, longitudes de puerta efectivas del orden de decenas de nanómetros y un uso extensivo de la litografía ultravioleta extrema. Como resultado, el área del troquel, no la etiqueta del nodo, es el factor principal que determina cuántos chips caben en una oblea.

2. Área utilizable de una oblea de 300 mm

Una oblea estándar de 300 mm tiene un radio de 150 mm, lo que da un área geométrica total de aproximadamente 70.685 mm². Sin embargo, no toda esta área es utilizable.

La exclusión de bordes, las líneas de escritura y las regiones de control del proceso reducen el área efectiva. En entornos de fabricación reales, se puede utilizar entre el 94 y el 96 por ciento de la oblea, dejando aproximadamente entre 66.000 y 68.000 mm² disponibles para los troqueles.

3. Tamaño del troquel: la variable clave

En el nodo de 2 nm, los tamaños de los troqueles varían mucho según la aplicación.

Los procesadores móviles de alto rendimiento suelen ocupar entre 80 y 120 mm². Los chiplets lógicos son mucho más pequeños, a menudo en el rango de 25 a 40 mm². Los aceleradores de IA grandes, por el contrario, pueden superar los 300 mm² y, a veces, acercarse a los 500 mm² o más.

Estas diferencias dominan los resultados del recuento de chips.

4. Escenario A: SoC móvil de clase de 2 nm

Considere un sistema en chip móvil con un área de troquel de aproximadamente 100 mm².

Dividir el área utilizable de la oblea por el tamaño del troquel produce aproximadamente 680 troqueles. Después de tener en cuenta la geometría de la oblea y las pérdidas en los bordes, el número de troqueles brutos suele caer a entre 600 y 630.

El rendimiento se convierte entonces en el factor decisivo. Para los SoC de nodo avanzado grandes, los rendimientos realistas suelen oscilar entre el 70 y el 80 por ciento una vez que el proceso madura.

Esto da como resultado aproximadamente entre 420 y 500 chips totalmente funcionales por oblea.

5. Escenario B: Diseño basado en chiplets

Las arquitecturas de chiplets mejoran drásticamente la eficiencia de la oblea.

Para un chiplet lógico de 30 mm², la misma oblea puede teóricamente acomodar más de 2.200 troqueles. Después de las pérdidas geométricas, quedan alrededor de 2.000 a 2.100 troqueles brutos.

Debido a que los troqueles más pequeños son menos sensibles a los defectos, los rendimientos suelen alcanzar entre el 90 y el 95 por ciento.

Esto produce aproximadamente entre 1.800 y 2.000 chiplets buenos por oblea, lo que explica por qué las estrategias basadas en chiplets se están volviendo dominantes en los nodos avanzados.

6. Escenario C: Troquel de cálculo de IA grande

Los procesadores de IA grandes llevan la economía de la oblea al límite.

Con un tamaño de troquel de 500 mm², una oblea solo puede acomodar entre 110 y 120 troqueles brutos después de las pérdidas en los bordes. Los rendimientos iniciales para troqueles tan grandes a 2 nm pueden caer entre el 40 y el 60 por ciento.

Como resultado, solo se pueden obtener entre 45 y 70 chips utilizables de una sola oblea, lo que contribuye directamente al alto costo del hardware de IA avanzado.

7. El papel de la densidad de defectos

El rendimiento está estrechamente relacionado con la densidad de defectos. Un modelo de rendimiento simplificado muestra que el rendimiento disminuye exponencialmente al aumentar el área del troquel.

Incluso densidades de defectos muy bajas pueden afectar significativamente a los troqueles grandes. En los nodos avanzados, el rendimiento a menudo supera el costo de la oblea como el factor dominante para determinar el precio final de un chip.

8. Por qué los recuentos máximos de chips son engañosos

Los cálculos puramente geométricos ignoran muchos factores del mundo real, incluidas las líneas de escritura, las estructuras de prueba, los circuitos de redundancia y la clasificación de rendimiento.

Los chips de la misma oblea pueden diferir en velocidad, consumo de energía y tolerancia de voltaje. Solo una parte de ellos califican para productos de primer nivel.

9. Resultados realistas de un vistazo

Para una oblea de 300 mm en el nodo de 2 nm, los resultados realistas son aproximadamente:

• De 45 a 70 troqueles buenos para procesadores de IA grandes

• De 420 a 500 troqueles buenos para SoC móviles

• De 1.800 a 2.000 chiplets lógicos buenos

Estos números reflejan las realidades de la fabricación en lugar de los límites teóricos.

10. Mirando más allá de los números

En el nodo de 2 nm, el progreso ya no se basa únicamente en la reducción de las características. Depende de la calidad de los materiales, la planitud de la oblea, el control de defectos y las estrategias de empaquetado avanzadas.

La pregunta más significativa ya no es cuántos chips caben en una oblea, sino cuántos chips de alto rendimiento, confiables y económicamente viables pueden sobrevivir a todo el proceso de fabricación, desde el crecimiento del cristal hasta el empaquetado final.