La industria de origen militar que marca el futuro
geopolítico de los chips
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por Chris Miller
26 Julio, 2023

Las primeras herramientas litográficas eran bastante
sencillas, pero las tecnologías que producen los chips
actuales son los inventos más complejos de la humanidad

Hoy en día, cuando se habla de informática, solemos
referirnos al software y a los ingenieros que lo escriben.
Pero no hubiéramos llegado hasta aquí sin el hardware y las
ciencias físicas que han permitido su creación, aquellas
disciplinas como la óptica, la ciencia de los materiales y
la ingeniería mecánica. Gracias a los avances en estas
áreas se pueden fabricar chips donde residen todos los 1 y
0 del mundo digital. Sin ellos, la informática moderna
habría sido imposible.

La litografía de semiconductores (el proceso de fabricación
que produce chips informáticos) tiene sus raíces 70 años
atrás. La historia de su origen es tan simple como complejo
es el proceso el proceso actual. Esta tecnología comenzó a
mediados de la década de 1950, cuando el físico Jay Lathrop
dio la vuelta a la lente de su microscopio.

Lathrop, que falleció en 2022 a los 95 años, apenas es
recordado hoy en día. Pero el proceso litográfico que su
compañero de laboratorio y él patentaron en 1957 transformó
el mundo. La mejora constante de los métodos litográficos
ha producido circuitos cada vez más pequeños con una
cantidad de potencia informática inimaginables en el
pasado. Así han podido transformarse industrias enteras y
también nuestra vida cotidiana.

Jay Lathrop pasó los veranos de las décadas de 1970 y 1980
trabajando con su amigo Jack Kilby en tecnologías solares.

En la actualidad, la litografía es un gran negocio con
ínfimos márgenes de error. ASML, la empresa holandesa y
líder mundial, también es la mayor empresa tecnológica
europea por capitalización bursátil. Sus herramientas
litográficas se basan en los espejos más planos del mundo,
uno de los láseres comerciales más potentes y una explosión
que alcanza temperaturas más elevadas que la superficie del
sol. Estas tecnologías pueden dibujar formas diminutas en
el silicio, de apenas un puñado de nanómetros. Y es esta
precisión nanométrica la que permite fabricar chips con
decenas de miles de millones de transistores. Puede que
usted dependa de chips fabricados con estas herramientas
litográficas de vanguardia: se encuentran en smartphones,
ordenadores, así como en los centros de datos que los
procesan y recuerdan.

De todas las máquinas de precisión que fabrican chips, las
herramientas litográficas son las más críticas y complejas.
Pues requieren cientos de miles de componentes y miles de
millones de dólares de inversión. No son solo objeto de
rivalidad comercial y asombro científico, sino que están en
el centro de una competición geopolítica por controlar el
futuro de la informática. La evolución de la industria
litográfica y la lucha por producir herramientas aún más
precisas determinarán el futuro de la informática. La
historia del desarrollo de la tecnología sugiere que
cualquier avance futuro dependerá de maquinaria aún más
compleja y precisa, además de cadenas de suministro más
lejanas aún. Solo de esta forma pueden producirse los
componentes especializados necesarios. La velocidad a la
que se desarrollen los nuevos sistemas y componentes
litográficos -y qué empresas y países consiguen
fabricarlos- determinará no solo la velocidad del progreso
informático, sino también el equilibrio de poder y
beneficios dentro de la industria tecnológica.

La idea de que la fabricación actual a escala nanométrica
tiene su origen en aquella lente de microscopio invertida
de Lathrop puede parecer inverosímil, pero la industria
litográfica ha avanzado con rapidez. Ha permitido que los
chips sigan y marquen el ritmo de la Ley de Moore, esta
idea sugiere que el número de transistores de un circuito
integrado se duplica cada dos años aproximadamente.

Lathrop inventó el proceso en la década de 1950, cuando los
ordenadores utilizaban tubos de vacío o transistores tan
grandes que eran evidentes a simple vista. Por tanto, tan
fáciles de fabricar sin tener que crear una nueva clase de
herramientas.

El físico estadounidense no intentaba revolucionar la
informática, y más tarde señalaría que "no tenía ni idea de
ordenadores". A mediados de la década de 1950, siendo
ingeniero del Diamond Ordnance Fuze Lab del ejército de EE
UU, le encargaron diseñar una nueva espoleta de proximidad
para introducirla en un proyectil de mortero de un par de
centímetros de diámetro. Uno de los componentes que
necesitaba era un transistor, pero el proyectil era tan
pequeño que los transistores existentes no podían
insertarse.

En aquella época, la fabricación de transistores estaba en
sus inicios. Estos se utilizaban como amplificadores en las
radios, mientras que los transistores discretos empezaban a
utilizarse en ordenadores del tamaño de una habitación. El
laboratorio de detonaciones ya disponía de algunos equipos
para fabricar transistores, como cultivadores de cristales
y hornos de difusión. Incluso en un laboratorio de
armamento avanzado, muchos de los materiales y las
herramientas necesarias para su fabricación tenían que
desarrollarse desde cero.

Estos primeros transistores estaban hechos de un bloque de
germanio junto a diferentes materiales superpuestos, por lo
que se asemejaban a la forma de una mesa del desierto (un
accidente geográfico natural que se eleva por encima de la
superficie del terreno). Estos bloques planos se fabricaban
al cubrir una parte del germanio con una gota de cera. A
continuación, se aplicaba un producto químico que borraba
el germanio que no estaba cubierto. Cuando se retiraba la
cera, solo quedaba el germanio cubierto y asentado sobre
una placa metálica. Este sistema funcionaba para
transistores grandes, pero era casi imposible en menor
tamaño. La cera rezumaba de forma impredecible, lo que
limitaba la precisión con la que se podía grabar el
germanio. Lathrop y Jim Nall, su compañero de laboratorio,
se encontraron con que sus progresos en la espoleta de
proximidad se atascaban en las imperfecciones de la cera.

Lathrop había pasado años mirando a través del microscopio
para hacer que algo pequeño pareciera más grande. Mientras
intentaba reducir el tamaño de los transistores, Nall y él
se preguntaron si una óptica de microscopio invertida
permitiría empequeñecer algo de gran tamaño: el patrón de
un transistor. Para averiguarlo, cubrieron un trozo de
material de germanio con fotorresistor, un tipo de
sustancia química que adquirieron de Eastman Kodak, la
empresa de cámaras fotográficas. La luz reacciona con la
fotorresistencia, endureciéndola o debilitándola. Lathrop
aprovechó esta característica, creó una especie de máscara
en forma de mesa y la colocó bajo el microscopio con la
óptica invertida. La luz que se filtraba a través de los
orificios de la máscara era reducida por la lente del
microscopio y proyectada sobre los productos químicos
fotorresistentes. En aquellos puntos donde incidía la luz,
los productos químicos se endurecían. Los lugares donde la
luz era bloqueada por la máscara podían eliminarse para
obtener una mesa de germanio más pequeña y precisa. Y así
se descubrió una forma de fabricar transistores más
pequeños.

Lathrop bautizó el proceso como fotolitografía -impresión
con luz- y solicitó la patente junto a Nall. En 1957
presentaron una ponencia sobre el tema en la reunión anual
International Electron Devices Meeting, y el ejército le
concedió un premio de 25.000 dólares (unos 22.600 euros)
por el invento. Con este dinero, Lathrop compró a su
familia una camioneta nueva.

En plena Guerra Fría, el mercado de las espoletas de
mortero creció, pero el proceso litográfico de Lathrop
despegó gracias a que las empresas que producían
electrónica civil, da cuenta de su potencial transformador.
La litografía no solo producía transistores con una
precisión sin precedentes, también abría la puerta a una
mayor miniaturización. Fairchild Semiconductor y Texas
Instruments, las dos empresas que lideraban la carrera
hacia los transistores comerciales, comprendieron pronto
las implicaciones. La litografía era la herramienta que
necesitaban para fabricar millones de transistores y
convertirlos en un producto de consumo masivo.

## Pintar con luz

Robert Noyce, uno de los cofundadores de Fairchild, estudió
Física junto a Lathrop en el (Instituto de Tecnología de
Massachusetts (MIT). Ambos habían pasado los fines de
semana en la escuela de posgrado haciendo senderismo por
las montañas de New Hampshire (EE UU), y siguieron en
contacto después de graduarse. En Fairchild, Noyce se
apresuró a contratar a Nall, compañero de laboratorio de
Lathrop, y dirigió los esfuerzos litográficos de su empresa
al montar su propio dispositivo con un juego de objetivos
de una cámara de 20 milímetros que había comprado en una
tienda de fotografía de la bahía.

Por su parte, Lathrop aceptó un trabajo en Texas
Instruments, competidor de Fairchild, y condujo su nueva
furgoneta hasta Dallas. Llegó a la ciudad cuando Jack
Kilby, su nuevo colega y amigo, estaba a punto de crear una
pieza de material semiconductor con múltiples componentes
electrónicos integrados. Pronto quedó claro que estos
circuitos integrados solo podían fabricarse de forma
eficiente con el método litográfico de Lathrop. A medida
que las empresas de chips se esforzaban por reducir el
tamaño de los transistores para que cupieran en los chips,
la fotolitografía aportó la precisión que requería la
fabricación a pequeña escala.

Fairchild y Texas Instruments fabricaron internamente sus
primeras máquinas litográficas, pero la creciente
complejidad de las máquinas enseguida atrajo a nuevos
competidores. A medida que la escala de los transistores
disminuyó de centímetros a milímetros y micrómetros,
aumentó también la importancia de la óptica de precisión.
Perkin-Elmer era una empresa de Connecticut (EE UU) que
fabricaba productos ópticos especializados para el ejército
estadounidense, desde visores de bombas hasta satélites
espía. A finales de la década de 1960 se dieron cuenta de
que esta experiencia también podía utilizarse para la
litografía. La corporación desarrolló un escáner que podía
proyectar el patrón de la máscara sobre una oblea de
silicio y alinearlos con una precisión casi perfecta. A
continuación, el escáner movía un halo de luz a través de
la oblea, como una fotocopiadora, pintándola con líneas de
luz. Esta herramienta demostró la capacidad para fabricar
transistores tan pequeños como una micra, la millonésima
parte de un metro.

Robert Noyce en su oficina en Fairchild Semiconductor
sosteniendo diagramas de semiconductores.

Robert Noyce, quien más tarde cofundó Intel, lanzó el
programa de litografía de Fairchild Semiconductor con
lentes comprados en una tienda de cámaras del Área de la
Bahía.


Sin embargo, este método no resultaba práctico porque las
características de los chips eran cada vez más pequeñas. A
finales de la década de 1970, los escáneres empezaron a
sustituirse por steppers, unas máquinas que movían la luz
en discretos pasos a través de una oblea. El reto era mover
la luz con una precisión micrométrica, de modo que cada
destello quedara alineado con el chip. GCA, una empresa de
Boston que empezó a fabricar globos espía, ideó la primera
herramienta stepper. Al parecer, por consejo de Morris
Chang, ejecutivo de Texas Instruments y más tarde fundador
de TSMC, que en la actualidad es el mayor fabricante de
chips del mundo.

Las empresas especializadas en litografía de Nueva
Inglaterra (EE UU) tuvieron que hacer frente a una fuerte
competencia. En los años 80, cuando los fabricantes de
chips japoneses empezaron a ganar cuota de mercado en la
producción de chips de memoria, compraron a Nikon y Canon,
dos fabricantes nacionales de herramientas litográficas.
Mientras que Philips, el fabricante de chips holandés, creó
su propia unidad de herramientas litográficas y la llamó
ASML.

GCA, que seguía siendo el campeón litográfico de EE UU,
tenía dificultades para hacer frente a la competencia. Su
tecnología litográfica era reconocida como de primera
categoría, pero las máquinas eran menos fiables que las de
sus nuevos rivales japoneses y holandeses. Además, GCA no
supo anticiparse a una serie de ciclos económicos de la
industria del chip en la década de 1980. Entonces, se
encontró en una situación financiera excesiva y, a finales
de los años 80, al borde de la quiebra. En aquel momento,
Bob Noyce intentó rescatar la empresa. Como director de
Sematech, un instituto de investigación de semiconductores
respaldado por el gobierno y destinado a revitalizar la
industria de chips de EE UU, Noyce invirtió millones de
dólares en GCA. Sin embargo, no fue suficiente para evitar
que la empresa se precipitara hacia el colapso. La
industria litográfica entró en la década de 1990 definida
por tres empresas, dos japonesas y una holandesa.

## El declive de una industria

El declive de la industria litográfica estadounidense
coincidió con un espectacular salto adelante en la
complejidad tecnológica de este campo. En los 80, la luz
visible -con una longitud de onda de varios cientos de
nanómetros- era demasiado amplia para pintar los
transistores más pequeños. Así, la industria pasó a
utilizar nuevas sustancias químicas, como el fluoruro de
criptón y el fluoruro de argón, para crear luz ultravioleta
profunda con longitudes de onda tan bajas como 193
nanómetros. A principios de los 2000, después de que esta
luz ultravioleta demostrara ser una herramienta demasiado
contundente, se crearon máquinas litográficas que podían
disparar la luz a través del agua y mediante un ángulo de
refracción más agudo que también permitía una mayor
precisión. Después, cuando la litografía de "inmersión"
resultó insuficiente para las características más finas de
un chip, los litógrafos empezaron a utilizar el
multi-patterning. Una técnica para aplicar múltiples capas
de litografía, una encima de otra, hasta producir patrones
aún más precisos en el silicio.

Sin embargo, ya en los 90 estaba claro que se necesitaría
una nueva fuente de luz con una longitud de onda más
pequeña para continuar fabricando transistores cada vez más
pequeños. Intel, el mayor fabricante de chips de EE UU,
lideró las primeras inversiones en litografía ultravioleta
extrema (EUV), y utilizó un tipo de luz con una longitud de
onda de 13,5 nanómetros. Era tan exacta como para crear
patrones de dimensiones casi equivalentes. Solo una de las
empresas de litografía que quedan en el mundo, ASML, se
atrevió a apostar su futuro por esta tecnología, cuyo
desarrollo llevaría tres décadas y miles de millones de
dólares. Durante años, muchos expertos del sector pensaron
que nunca funcionaría.

Producir luz EUV a la escala necesaria es uno de los retos
de ingeniería más complejos de la historia de la humanidad.
El método de ASML requiere tomar una bola de estaño de 30
micras de ancho y pulverizarla dos veces con un láser de
dióxido de carbono de alta potencia. De manera que la bola
de estaño explote en un plasma con una temperatura de
varios cientos de miles de grados. El plasma emite luz EUV,
que es recogida por los espejos más planos jamás creados, y
cada uno está formado por docenas de capas alternas de
silicio y molibdeno de nanómetros de espesor. Estos espejos
se mantienen casi inmóviles gracias a un conjunto de
actuadores y sensores que, según su fabricante, son tan
precisos que podrían utilizarse para dirigir un láser y
golpear una pelota de golf tan lejos como la Luna.

Producir los componentes especializados de un sistema EUV
exigió construir una compleja cadena de suministro
internacional. El láser de alta potencia lo fabrica Trumpf,
la empresa alemana especializada en herramientas de corte
de precisión. Mientras los espejos los crea Zeiss, otra
empresa alemana con una larga experiencia en óptica. Y la
cámara donde se pulverizan las bolas de estaño fue diseñada
por Cymer, una empresa de San Diego (EE UU) adquirida más
tarde por ASML. Una máquina con cientos de miles de
componentes solo puede fabricarse con la participación de
empresas de varios continentes, aunque su montaje esté
monopolizado por una sola firma.

En la actualidad, las herramientas de litografía EUV se
utilizan para producir muchos de los chips clave de
smartphones, ordenadores y centros de datos. Un procesador
típico de un móvil tendrá más de 10.000 millones de
transistores microscópicos, cada uno de ellos impreso
mediante el proceso fotolitográfico del que Lathrop fue
pionero. La litografía se ha utilizado para crear
transistores por quintillones, convirtiéndolo en el
producto manufacturado de mayor producción en la historia
de la humanidad.

""

El motor paso a paso Mann 4800 de GCA fue un gran paso
adelante en la resolución de las máquinas de litografía.
Pero la firma con sede en Boston finalmente perdió el
mercado de chips frente a sus rivales japoneses y
holandeses.


Quizá lo más importante sea el papel de la litografía EUV
en la fabricación de los chips que necesitan los centros de
datos avanzados. Los grandes sistemas de IA suelen
entrenarse en chips de última generación, es decir, se
benefician de los transistores ultra avanzados que solo la
litografía EUV puede fabricar con eficacia. Esto ha
convertido a la litografía en objeto de disputas
geopolíticas. EE UU intenta impedir que la industria china
produzca chips de IA de vanguardia, por tanto, ha limitado
el acceso de Pekín a herramientas críticas. Los sistemas de
litografía EUV son el mayor obstáculo para la industria
china de chips.

El hecho de que las capacidades informáticas de la segunda
potencia económica mundial dependan del acceso a una única
herramienta producida por una sola empresa ilustra el papel
central que desempeña la litografía en el sector
tecnológico global. Se trata de una industria compleja,
como resultado de intensos esfuerzos de investigación por
parte de una red mundial de expertos en óptica y ciencia de
materiales, además de miles de millones de dólares de
inversión. Las herramientas litográficas chinas se
encuentran varias generaciones por detrás de la vanguardia
y carecen de muchos de los componentes clave -como los
espejos ultraplanos- o los conocimientos necesarios para
integrar los sistemas.

La industria ha recorrido un largo camino desde el trabajo
de Lathrop en las espoletas. El físico dejó Texas
Instruments en 1968, después de trabajar allí durante una
década y asumió una cátedra en la Universidad de Clemson
(Carolina del Sur), donde estudió su padre y cerca de donde
vivían sus padres en aquel momento. Lathrop dedicó el resto
de su carrera a la enseñanza, aunque los veranos entre 1970
y 1980 volvió a TI para trabajar con su amigo Jack Kilby en
un infructuoso intento de desarrollar tecnología
fotovoltaica para energía solar. Lathrop se retiró de
Clemson en 1988, tras haber dejado huella en miles de
estudiantes de Ingeniería Eléctrica.

Mientras tanto, el proceso litográfico que inventó ha
continuado avanzando. Dentro de varios años, ASML lanzará
una nueva versión de su tecnología EUV, denominada EUV de
alta apertura numérica, que permitirá una litografía aún
más precisa. Si bien se investiga una futura herramienta
con una precisión aún mayor, no está claro si algún día
será práctica o comercialmente viable. Esperemos que sí,
pues el futuro de la Ley de Moore y los avances
informáticos dependen de ello.

Chris Miller es autor de Chip War: The Fight for the
World's Most Critical Technology y profesor asociado de la
Fletcher School de la Universidad de Tufts.



## Via
http://www.technologyreview.es/s/15482/la-industria-de-origen-militar-que-marca-el-futuro-geopolitico-de-los-chips