En los últimos años palabras como “chips”, “semiconductores” y “obleas de silicio”, incluso empresas como NVIDIA o TSMC aparecen a diario en conversaciones entre personas que jamás se han dedicado a la tecnología, ni a los materiales.

Está claro que la tecnología ha dejado de ser un área o un departamento para ser algo que inunda todas las áreas de la sociedad y todos los departamentos de una empresa. Por ello, en inteligencia artificial, normalmente solemos hablar del resultado final, de los grandes modelos o de los superordenadores donde se entrenan, pero pocas veces nos detenemos a pensar en la extraordinaria cadena industrial que permite llegar a fabricar esos chips.
Existe toda una cadena que comienza mucho antes de que alguien escriba una sola línea de código y que condiciona, en gran medida, toda la industria tecnológica y, en especial, la de la IA.

Hace unos días, durante una visita a una empresa tecnológica en Hangzhou (China), aunque el producto estrella eran los robots, me llamó la atención lo que estaba expuesto en una esquina, de forma no demasiado visible: arena de cuarzo con distintos niveles de pureza, lingotes de silicio brillantes, obleas pulidas y chips terminados, listos para ser ensamblados. Mi curiosidad hizo que me pareciera un auténtico lujo poder verlo y tocarlo y, mientras lo hacía, me quedé pensativa leyendo una frase que había escrita en la pared allí mismo:

差一个9，差一个时代.

“Un 9 de diferencia, una era de diferencia”.

Como os estaréis imaginando, al llegar al hotel me faltó tiempo para buscar qué tenía que ver el número 9 con aquellos materiales y entender por qué estaba escrito en aquella pared.

Para entender esa frase hay que empezar mucho antes de la oblea y del chip. Tenemos que empezar nuestra historia con un material tan normal y corriente como el cuarzo.

La importancia de la pureza

Silicon Valley se encargó hace muchos años de que el silicio fuera algo familiar incluso para los que no somo expertos en materiales. Pero el silicio por sí solo, no es nada del otro mundo, quiero decir, que es uno de los elementos más abundantes de la corteza terrestre.
Sin embargo, el silicio casi siempre, aparece combinado con otros elementos. Una de sus formas más conocidas es el dióxido de silicio, SiO₂, presente en el cuarzo y en muchas arenas. Es fácil pensar que, como hay mucha cantidad, es relativamente sencillo utilizarlo para crear productos con él, pero entre el silicio que encontramos en la naturaleza y el que acaba formando parte de un procesador de inteligencia artificial existe una distancia tecnológica enorme.

La primera gran diferencia está en la pureza.

• Si decimos que un material tiene una pureza del 90 %, aproximadamente un 10 % de su composición corresponde a otros elementos o sustancias.
• Cuando alcanzamos el 99 %, la proporción de impurezas se reduce aproximadamente a una parte por cada cien.
• Con una pureza del 99,9 %, hablamos ya de una parte por cada mil.

Hasta aquí los porcentajes siguen siendo relativamente fáciles de imaginar, pero la industria tecnológica necesita niveles mucho más exigentes y utiliza una forma sencilla de expresarlos: contar el número de nueves después de la coma. Por eso se utilizan expresiones como 6N, 9N u 11N.

La letra N procede de nine, nueve en inglés, y el número indica la cantidad de nueves que aparecen al expresar el grado de pureza.

• Un material 6N tiene una pureza del 99,9999 %, lo que equivale aproximadamente a una parte de impurezas por cada millón de partes de material.
• En 9N, con una pureza del 99,9999999 %, la escala se aproxima a una parte de impurezas por cada mil millones.
• Cuando llegamos a 11N y al 99,999999999 %, hablamos de una proporción cercana a una parte por cada cien mil millones.

Cada vez que se añade un nueve, la cantidad de impurezas que permanece en el material se reduce aproximadamente diez veces.

El verdadero problema es que la dificultad no aumenta de manera proporcional. Las primeras impurezas son relativamente fáciles de eliminar, pero el proceso se vuelve muchísimo más complicado cuando solo quedan cantidades microscópicas. En ese momento, incluso la propia fabricación puede convertirse en una fuente de contaminación: los equipos, los gases, las herramientas, el agua utilizada y hasta el aire del entorno deben mantenerse bajo un control extremo, podríamos decir que incluso más exigente que el de un quirófano.

No sirve cualquier arena

Decíamos que el cuarzo contiene dióxido de silicio y, por tanto, átomos de silicio unidos al oxígeno. Para obtener silicio elemental es necesario separar ambos elementos mediante procesos industriales que requieren temperaturas extremadamente elevadas. Una de las primeras grandes transformaciones se realiza en hornos eléctricos, donde el dióxido de silicio se reduce utilizando carbono.

El resultado es el denominado silicio de grado metalúrgico, cuya pureza puede situarse aproximadamente entre el 98 y el 99 %. Este material tiene numerosas aplicaciones industriales pero la fabricación de semiconductores, sin embargo, tiene exigencias de pureza muy superiores y obliga a iniciar una fase de refinado muchísimo más sofisticada.

Aquí comienza una parte especialmente interesante de la cadena. A medida que las impurezas se reducen, seguir purificando directamente el silicio sólido se vuelve cada vez más difícil.

Para conseguir esa pureza extrema, la industria recurre a un método muy ingenioso: en lugar de seguir limpiando directamente el silicio, lo transforma temporalmente en otros compuestos químicos, como el triclorosilano o el silano, que resultan mucho más fáciles de purificar. Una vez eliminadas las impurezas, esos compuestos vuelven a transformarse en silicio de altísima pureza. Resulta curioso (sobre todo a los que no somos expertos en esto) que a veces sea mucho más sencillo transformar un material, limpiarlo y recuperarlo después que intentar purificarlo directamente.

Y en esta fase volvemos a encontrarnos con los nueves. La dificultad industrial se concentra progresivamente en cantidades cada vez menores de contaminantes. Primero se trabaja para reducir porcentajes normales de impurezas. Después se persiguen partes por millón y, más adelante, partes por mil millones. Cada salto exige equipos más precisos, materiales compatibles con una pureza extrema y, como imaginamos, un entorno capaz de evitar que el producto vuelva a contaminarse durante el propio proceso.

Al final de esta etapa ya tenemos un silicio de altísima pureza. Ahora ya no consiste en limpiarlo más, sino en organizar correctamente sus átomos.

Cuando también importa el orden de los átomos

En un material policristalino existen múltiples regiones cristalinas. Dentro de cada una de ellas los átomos siguen una estructura ordenada, pero esas regiones pueden presentar orientaciones diferentes. En los puntos donde se encuentran aparecen las denominadas fronteras de grano, zonas que pueden influir en las propiedades del material.

Es como si tuviéramos (pido disculpas por la simplificación) un suelo construido por diferentes grupos de baldosas. Dentro de cada grupo todas siguen la misma orientación, pero el patrón cambia al pasar de una zona a otra y aparecen límites entre ellas.

Para fabricar muchos circuitos integrados, es decir, chips, se utiliza silicio monocristalino, precisamente porque necesitamos una estructura continua y ordenada, pero para conseguirlo hay que hacer crecer un único cristal enorme a partir de silicio extremadamente puro.

Si el cristal presentara múltiples orientaciones o defectos internos (recordemos el ejemplo de las baldosas), los electrones encontrarían obstáculos en su recorrido y el comportamiento eléctrico dejaría de ser predecible. En un chip, esa pequeña imperfección ya lo haría inservible.

Para conseguir un único cristal perfecto, la industria hace crecer lentamente el silicio fundido alrededor de un pequeño cristal inicial. Sin entrar en detalles, este procedimiento, conocido como proceso Czochralski, exige controlar con enorme precisión la temperatura y el ritmo de crecimiento durante horas o incluso días.

El resultado es un gran cristal aproximadamente cilíndrico conocido como lingote o ingot de silicio monocristalino.

me resulta interesante porque cuando hablamos de semiconductores siempre hablamos de cosas extremadamente diminutas, pero yo no sabía que antes había que conseguir que un cristal enorme crezca manteniendo una estructura atómica controlada. El transistor aparecerá mucho más adelante en la cadena, aunque aquí ya estamos empezando a cuidar la precisión que va a necesitar.

Del lingote a la oblea

Una vez producido el lingote monocristalino, el cilindro se corta transversalmente en discos muy finos. Esos discos son las wafers u obleas de silicio. Su característica forma circular procede principalmente del proceso de crecimiento del cristal, que genera un lingote aproximadamente cilíndrico y permite obtener discos al realizar cortes transversales.

El corte, como os podéis imaginar, exige una precisión extrema. El silicio es un material duro y bastante frágil, las obleas deben mantener un grosor muy controlado y cualquier daño puede afectar a las siguientes fases de fabricación. Además, durante el corte se pierde una parte del material en forma de residuos. Esta pérdida recibe el nombre de kerf loss y tiene importancia económica porque estamos trabajando con un material que ha atravesado procesos de purificación y crecimiento cristalino complejos y sobre todo muy costosos.

Las obleas recién cortadas todavía necesitan varias etapas de tratamiento. Se realizan procesos de rectificado, limpieza química y pulido hasta conseguir una superficie extremadamente plana y lisa.
Está precisión que se necesita en la superficie no es ninguna exageración porque sobre ella se fabricarán estructuras de dimensiones nanométricas y una pequeña irregularidad puede afectar enormemente.

Admito que ver el lingote y la oblea, como cambiaba con la luz, y tocar el silicio, me hizo ilusión. Aquella superficie brillante había recorrido ya una cadena industrial extraordinariamente compleja y, sin embargo, la fabricación del chip no había hecho más que empezar.

Cómo se construyen cientos de circuitos sobre una oblea

La oblea actúa como sustrato para fabricar a la vez muchos circuitos integrados. Sobre una misma superficie se repiten múltiples diseños, formando la cuadrícula que todos reconocemos. Cada una de esas zonas terminará convirtiéndose en una unidad individual si supera correctamente las pruebas de fabricación.

La fabricación del chip consiste en repetir cientos de operaciones distintas sobre la misma oblea. Se añaden materiales, se eliminan pequeñas zonas, se crean capas aislantes y conductoras y se modifica el silicio allí donde será necesario. Todo ello se hace capa a capa hasta construir el circuito completo.

La fotolitografía es una de las tecnologías fundamentales de esta fabricación.

De manera simplificada, permite transferir patrones extremadamente pequeños a la superficie de la oblea utilizando luz y materiales fotosensibles. La oblea se recubre con un material sensible a la luz. Al iluminar determinadas zonas mediante un patrón previamente diseñado, la industria puede decidir exactamente qué partes conservar y cuáles eliminar en las etapas posteriores.

Una vez transferido el patrón se realizan operaciones como el grabado (eliminando material de zonas concretas), que permite retirar material de determinadas zonas, o la deposición de nuevas capas. Después se elimina la fotorresina y comienza una nueva secuencia con otro patrón. El proceso se repite muchas veces y cada nueva capa debe alinearse con las anteriores con una precisión extraordinaria.

La complejidad de fabricar un semiconductor se comprende mejor cuando pensamos que un diseño avanzado puede contener miles de millones de transistores y requiere una enorme secuencia de operaciones consecutivas, una después de otra.

La capacidad industrial depende tanto de la precisión de cada proceso individual como de la posibilidad de mantener esa precisión durante toda la cadena, evitando que los pequeños errores se acumulen hasta inutilizar el circuito.

Estas máquinas de fotolitografía representan probablemente la tecnología industrial más compleja jamás construida. Aunque China está avanzando en ello, de momento solo una empresa en el mundo, la holandesa ASML, fabrica los equipos de litografía ultravioleta extrema (EUV) necesarios para producir chips de última generación, como los de 3 nanómetros. Cada una de estas máquinas puede superar los 300 millones de dólares, incorpora más de cien mil componentes y requiere años para fabricarse. Por eso estas máquinas se han convertido en uno de los activos industriales más estratégicos del mundo.

La paradoja de las impurezas

Hasta aquí hemos dedicado recursos, energía y tecnología a eliminar impurezas del silicio hasta alcanzar niveles expresados con nueve, diez u once nueves. Curiosamente, después de dedicar tanto esfuerzo a eliminar impurezas, la fabricación del circuito requiere introducir deliberadamente átomos de otros elementos en determinadas regiones del material de forma completamente controlada. Este proceso recibe el nombre de dopado y permite modificar el comportamiento eléctrico del silicio para construir los transistores que harán posible el funcionamiento del chip.
La diferencia es que ahora cada átomo se introduce exactamente donde debe estar y en la cantidad necesaria.

Esta capacidad de decidir qué material está presente, en qué cantidad y en qué zona concreta representa una parte esencial de la fabricación de semiconductores. La pureza extrema permite partir de un material cuyo comportamiento conocemos y controlamos, mientras que el dopado introduce las modificaciones necesarias para construir dispositivos electrónicos.

Del circuito al die y la importancia del yield

Cuando la fabricación sobre la oblea ha avanzado, su superficie muestra una cuadrícula formada por numerosos circuitos.
Cada unidad individual recibe el nombre de die. El die es la pieza de material semiconductor que contiene el circuito integrado antes de completar las fases finales de separación y encapsulado.

El número de dies que caben en una oblea depende, entre otros factores, de su tamaño. Un procesador de gran superficie permite obtener menos unidades por oblea que un circuito mucho más pequeño. Sin embargo, la cantidad total de dies fabricados constituye solo una parte de la ecuación económica, porque, por si no hubiera ya suficiente complejidad en este proceso, no todos tienen por qué funcionar correctamente.

Aquí aparece uno de los conceptos más importantes para comprender la industria semiconductor: el yield o rendimiento de fabricación.

Imaginemos una oblea que contiene 600 dies. Si después de realizar las pruebas correspondientes solo 300 funcionan correctamente, el resultado económico será muy diferente que si funcionan 550. En ambos casos se han utilizado instalaciones, energía, productos químicos, equipos de litografía y numerosas horas de proceso. La oblea ha recorrido prácticamente la misma cadena de fabricación, pero el coste efectivo de cada die funcional cambia enormemente según el porcentaje de unidades válidas.

¿Y por qué fallan esos circuitos? A veces basta una partícula microscópica de polvo, una capa ligeramente desalineada durante la litografía, una pequeña vibración de la maquinaria o un defecto atómico en el silicio para que uno de esos dies deje de funcionar correctamente.

El yield ayuda a explicar por qué existe una diferencia tan grande entre demostrar que una tecnología puede fabricarse y dominar realmente su producción a escala industrial. Un laboratorio o una fábrica pueden conseguir producir un circuito avanzado, pero convertir esa capacidad en un negocio sostenible exige repetir el proceso con suficiente estabilidad y obtener una proporción elevada de unidades funcionales.

Y esto, como vimos en el artículo sobre que eran los semiconductores, explica por qué no entran más empresas en el sector más estratégico de nuestros días. Porque no es nada fácil.

Esta experiencia acumulada tiene una importancia enorme en la industria de los semiconductores. Cada generación de procesos necesita ajustes, aprendizaje y una mejora progresiva del rendimiento. Pequeñas modificaciones en cientos de variables pueden terminar aumentando el número de dies válidos y transformando completamente la economía de producción.

Del die al chip que conocemos

Una vez finalizada la fabricación, los dies se someten a pruebas para identificar las unidades funcionales. La oblea se corta mediante un proceso denominado dicing, que separa físicamente cada uno de esos pequeños fragmentos de silicio. A partir de ese momento disponemos de circuitos integrados individuales, aunque todavía deben atravesar una fase fundamental antes de convertirse en el producto que normalmente llamamos “chip”.

El packaging o encapsulado permite proteger el die, conectarlo eléctricamente con el resto del sistema y contribuir a la gestión del calor generado durante su funcionamiento. Durante años, esta fase recibió mucha menos atención pública que la fabricación de transistores cada vez más pequeños, pero su importancia ha crecido enormemente a medida que la industria busca nuevas formas de aumentar el rendimiento de los sistemas.

Hoy el encapsulado ha dejado de ser una simple carcasa protectora. También permite combinar varios chips dentro de un mismo conjunto y conectarlos de forma extremadamente rápida, algo fundamental para los sistemas de inteligencia artificial, que necesitan mover enormes cantidades de datos entre memoria y procesadores.

El chip que finalmente vemos instalado en un servidor representa, por tanto, el resultado de una cadena en la que han intervenido la química de materiales, el crecimiento de cristales, la ingeniería de superficies, la óptica, la física semiconductor, la nanotecnología y las tecnologías de encapsulado e interconexión.

La inteligencia artificial también empieza aquí

Cuando hablamos de inteligencia artificial solemos comenzar por los modelos. Hablamos de GPT, Claude, Gemini o DeepSeek, de parámetros, datos de entrenamiento, ventanas de contexto, multimodalidad y razonamiento. Sin embargo, cada una de las operaciones matemáticas necesarias para entrenar o ejecutar esos sistemas termina realizándose físicamente en hardware.

Los cálculos ocurren mediante circuitos formados por transistores. Esos circuitos se construyen sobre dies que se fabrican simultáneamente en obleas. Las obleas proceden de lingotes de silicio monocristalino y esos lingotes requieren silicio con niveles extraordinarios de pureza. Si seguimos recorriendo la cadena hacia atrás terminaremos llegando al cuarzo y al dióxido de silicio.

Comprender esta secuencia permite observar la industria de la inteligencia artificial desde una perspectiva mucho más amplia.
La capacidad tecnológica depende del diseño de los chips y también de las fábricas capaces de producirlos, de las obleas, de los materiales de grado electrónico, de los equipos de deposición y grabado, de los sistemas de implantación iónica, de la metrología necesaria para detectar defectos diminutos, de las tecnologías de litografía, de la memoria avanzada y del packaging. A todo ello se añaden la energía, el agua ultrapura, los productos químicos y una red de proveedores altamente especializados.

Esta enorme complejidad explica también por qué las restricciones tecnológicas entre Estados Unidos y China han resultado tan eficaces. No solo afectan a los chips terminados, sino también a las máquinas necesarias para fabricarlos. Ya dediqué un artículo a empresa neerlandesa ASML. Es la única compañía del mundo capaz de fabricar las máquinas de litografía ultravioleta extrema (EUV) utilizadas por empresas como TSMC para producir los chips más avanzados. Cada una supera los 300 millones de dólares, incorpora más de cien mil componentes y requiere años para fabricarse. Aunque ASML es una empresa europea, muchos de sus sistemas incorporan tecnología estadounidense y su exportación está sujeta a autorizaciones. Por eso China no solo necesita aprender a fabricar chips de última generación; también necesita desarrollar las máquinas capaces de fabricarlos, un desafío todavía mayor.

Después de lo que hemos visto, entendemos por qué una fábrica de semiconductores avanzada puede requerir inversiones de miles de millones. La capacidad de mantener cientos de procesos dentro de parámetros extremadamente estrechos, aprender de los defectos y mejorar progresivamente el yield forma parte de un conocimiento industrial acumulado durante años.

Por eso la infraestructura física de la inteligencia artificial merece mucha más atención. El modelo es la parte que vemos y con la que interactuamos, mientras que detrás existe una cadena industrial de una sofisticación extraordinaria que convierte materiales relativamente abundantes en sistemas capaces de ejecutar billones de operaciones.

Un 9 de diferencia, una era de diferencia

En aquella sala de la empresa de Hangzhou, junto al silicio en diferentes fases, los lingotes, las obleas y los chips había otra frase: «De un grano de arena común a un chip que mueve el mundo».

La distancia entre un grano de arena y un chip se mide en conocimiento, procesos, equipos, energía, talento y décadas de aprendizaje industrial. Y, a veces, se puede comprender simplemente contando nueves.