Kako se čip dobiva: posjetite globalfoundries

Uvijek sam fasciniran saznanjem o tome što je zapravo potrebno da uređaji koje uzmemo zdravo za gotovo, a nijedan proces za koji znam nije tako složen, kompliciran ili važan kao procesori koji pokreću telefone, računala i servere koji vode naš svakodnevni život. Tako sam uskočio priliku posjetiti vodeću tvornicu GlobalFoundries-a na Malti u New Yorku, kako bih vidio kako se postrojenje za proizvodnju čipova (ili fab) razvijalo tijekom posljednjih nekoliko godina.

To je nevjerojatan proces - fab uključuje više od 1400 naprednih alata za izradu čipova, koji su svi povezani zajedno, a izrada tipičnih rezina s čipovima može potrajati i do šest mjeseci. Bio sam impresioniran sve većom složenošću ovog postupka i izvanrednom preciznošću koja je potrebna kako bismo napravili čips koji svi koristimo.

Prije sam posjetila tvornicu - poznatu kao Fab 8 - kada je bila u izgradnji i kad je tek počela proizvoditi svoje prve proizvode: procesore dizajnirane za 32 nm ili 28 nm procesne čvorove.

Biljka se nalazi na zanimljivom mjestu: kampusu Luther Forest Technology na Malti, oko pola sata sjeverno od Albanyja. Godinama se država New York trudi da uvede više tehnologije u regiju, a napori uključuju podršku za SUNY Polytechnic Institute Institute of Nanoscale Science and Engineering (CNSE) i Albany Nanotech Complex, jedan od najnaprednijih svjetskih čipova istraživačkih objekata, koji uključuje predstavnike GlobalFoundries, Samsung, IBM, mnogih istraživačkih sveučilišta i sve vodeće proizvođače alata za izradu čipova. AMD je potpisao izgradnju tvornice u kompleksu; kada je AMD prekinuo svoje operacije izrade čipova da bi 2009. postao GlobalFoundries (sada u stopostotnom vlasništvu Mubadala Investment Company Abu Dhabi), nova tvrtka izgradila je tvornicu.

U mojoj posljednjoj posjeti prije gotovo šest godina, prva faza - koja je uključivala čistilište površine 210.000 četvornih metara za stvarnu proizvodnju - upravo je bila u tijeku i radila se ranom proizvodnjom, dok je faza 2, s dodatnih 90 000 četvornih metara, u fazi izrade, Na licu mjesta je bilo 1.300 ljudi, ali relativno malo proizvoda se izrađivalo u to vrijeme.

(Slika sa GlobalFoundries)

Danas su te prve dvije faze jedna čistaonica od 300.000 četvornih metara (široka 300 stopa do 1000 stopa), a faza 3 od dodatnih 160.000 četvornih metara također je u punom pogonu. Vidio sam puno aktivnosti, a stvorili su se mnogi silicijski vafli napunjeni čipsom.

Tom Caulfield, SVP i generalni direktor Fab-a 8, naglasio je da je GlobalFoundries uložio puno više u New Yorku od prvobitne obveze. Kad je prvo planirano, tvrtka se obvezala na ulaganje od 3, 2 milijarde dolara i izravnu brojku od 1.200 ljudi uz godišnju plaću od 72 milijuna dolara. Sada je, rekao je, tvrtka zapravo uložila više od 12 milijardi dolara, a ima oko 3.300 zaposlenih i godišnju plaću od 345 milijuna dolara. A to čak i ne broji 500 do 700 drugih ljudi koji rade u tvornici, ali su zaposleni u drugim subjektima, napomenuo je, poput tehničara koji rade za dobavljače alata kao što su ASML, primijenjeni materijali ili LAM Research.

GlobalFoundries upravlja i takozvanim Fab 9 u Burlingtonu, Vermontu i Fab 10 u Istočnom Fishkillu u New Yorku, a to su starije tvornice koje je kupio od IBM-a. Tvrtka također ima velike fabrike u Dresdenu u Njemačkoj, gdje radi na svom FDX procesu silikona na izolatoru; Chengdu, Kina; i u Singapuru. Sveukupno kažu da tvrtka ima više od 250 kupaca.

Caulfield je rekao da je fab jednostruki izvor za AMD-ove procesore Ryzen, Radeon GPU-ove i Epyc-ove poslužiteljske čipove, ali ima i desetine drugih kupaca.

GlobalFoundries je jedna od četiri tvrtke koja proizvodi vodeće logičke čipove. Ostali su Intel koji prvenstveno izrađuje čipove za vlastitu upotrebu; Taiwan Semiconductor Manufacturing Corp (TSMC), pionirska ljevaonica čipova, koja proizvodi čipove za mnoge različite kupce i glavna je konkurencija GlobalFoundries; i Samsung, koji čini malo i jedno i drugo.

Unutar tvornice

U ovom posjetu, ja i nekoliko drugih novinara dobili smo obilazak objekta i čuo sam kako se čipovi prave. Umjesto da započnemo s čistom prostorijom u kojoj se čips zapravo proizvodi, obilazak je započeo u "podfabu", ogromnom području ispod čistine koja upravlja opremom potrebnom za pokretanje alata koji čine čips. To uključuje električne, mehaničke, vodene i kemijske sustave za rukovanje.

John Painter, stariji direktor odjela, koji je obišao ovo područje, objasnio je da cijelo mjesto uključuje preko 70 000 komada opreme, od kojih velik dio podržava manje alate za izradu strugotina u čistom prostoru. Gotovo sve te alate treba ohladiti, a svi oni bolje djeluju u predvidljivim temperaturama, pod određenim uvjetima vlage i tlaka, pa je potreban značajan napor za kontrolu okoliša. To je složenije jer se alati neprestano osvježavaju, pri čemu se neki kreću, a drugi iz objekta. Painter je objasnio da je za pomoćnu opremu općenito potrebno šest puta više prostora nego za čistu sobu.

Vidjeli smo područja koja obrađuju ohlađenu pročišćenu vodu koja se koristi u proizvodnji, te kemijske suspenzije za stvari poput poliranja rezina. Prostor ima složene uređaje za praćenje i kontrolu ovih sustava - koji mogu izmjeriti stvari u dijelovima po bilijunu, tako da mogu otkriti bilo kakvo istjecanje u sustavu - kao i sofisticirani sustav sigurnosti života. Subfab ima strop od 30 stopa, a područje Phase 2 uključuje mezar, kako bi tehničarima olakšao pristup cijeloj opremi. Ovaj kat sadrži mnogo zasebnih područja s pojedinačnim dijelovima opreme (od skladišta za vodu i kemikalije do sustava za nadzor), s kilometrima cjevovoda koji ga spajaju s čistom prostorijom iznad. Primijetio sam da je veći dio cjevovoda zapravo udvostručen, sa senzorima unutar cijevi koji su mogli otkriti postoji li curenje.

Na gradilištu se nalazi i niz drugih zgrada, uključujući središnju komunalnu zgradu s većim kotlovima i hladnjacima, sustav za rasuti otpad i sl.

Kao cjelina, tvornica koristi 80 megavata snage, a opskrbljuje ih dvostrukim vodovima od 150 000 volti. Od presudnog je značaja da je napajanje kontinuirano, jer svaka varijacija može poremetiti proizvodnju i eventualno oštetiti rezne rezance. Stoga, objekt ima rezervni UPS sustav, zamašnjake i dizel generator.

Posebno me zanimala količina prostora koja je potrebna novoj EUV opremi (o kojoj ću kasnije raspravljati). Čak i u potkrovlju, ova oprema zahtijeva ogromno područje, uključujući vlastitu minijaturnu čistu sobu, gdje alati proizvode laserski izvor svjetlosti visokog intenziteta, koji se kroz pod savija prema EUV alatu u čistom prostoru. Sam EUV sustav zahtijevao je nove rashladne i električne sustave, zajedno s ultra čistom vodom, te posebnim spremnicima i cjevovodima koji smanjuju zagađenje česticama.

Da bi se EUV sustav ugradio u zgradu, glavna je ploča prvo zapečaćena. U strop je ugrađena dizalica od 10 tona, a zatim je rupa urezana u stranu zgrade kako bi se masivni novi sustav pomaknuo unutra. Ovom procesu dijelom je pomogao sustav 3D 3D dizajna računala koji je koristio skenirane slike koje su obuhvatile postavljanje postojeće opreme na milimetarsku razinu.

Do Čistoće

(Slika sa GlobalFoundries)

Da bismo posjetili samu čistu sobu, morali smo se obući u "odijelo za zeko" (vidi moju sliku na vrhu ovog posta), dizajnirano da smanji broj čestica na tom području i rizik da takva čestica može poremetiti rezanje čestica obrada.

Jedna stvar koju sam primijetio jest da, dok na podu čiste sobe postoji puno strojeva - prema 1.400, prema GlobalFoundries-u, nema puno ljudi.

Christopher Belfi, glavni inženjer za proizvodnju, koji nam je dao obilazak čistine, objasnio je da je cilj imati nula operatora na podu. Jedini ljudi koje vidite jesu ili obavljaju instalaciju ili održavanje alata, rekao je Belfi.

(Slika sa GlobalFoundries)

Umjesto tehničara koji premještaju rezance s jednog alata na drugi, rezanci se premještaju između alata putem objedinjenih podmetača s prednjim otvaranjem ili FOUP-ova kako ih nazivaju, od kojih svaki sadrži 25 reznih listova - i možete ih vidjeti kako se kreću po cijeloj čistini. Ukupno ima 550 vozila na 14 milja kretanja kolosijeka i pohranjivanja rezina između alata. Također premještaju mrežice (čipske maske koje usmjeravaju svjetlost za svaki sloj izrade iverice) između središnjeg skladišta do alata gdje će se koristiti. To ne smanjuje broj potrebnih ljudi, rekao je Belfi, jer alate i dalje treba kontrolirati, ali smanjuje vrijeme i pogreške. Napomenuo je da se u svakom trenutku deseci proizvoda nalaze u različitim fazama proizvodnje, za nekoliko desetaka kupaca, a svaki proizvod ima svoj set mrežica i svoj specifičan postupak koji koristi različite alate. Belfi je Fab 8 nazvao "naj automatiziranijom vrstom na svijetu." Naravno, ujedno je i jedan od najnovijih.

Neki od džepova ima žuto svjetlo, jer je u jednom trenutku u povijesti procesa proizvodnje bilo važno osigurati da rezina nije izložena normalnom svjetlu. Međutim, danas vafli uopće nisu izloženi vanjskoj svjetlosti, pa je to manje potrebno.

Mnogo je koraka uključenih u izradu reznica, a svaki ima svoje područje čistoće: implantacija (dodavanje iona silicijumu), kemijska mehanička ravnomjernost ili CMP (poliranje rezina), difuzija, taloženje tankom folijom, litografija i rezati. Mjeriteljski alati koji se koriste za mjerenje značajki čipa na svakom koraku na putu nalaze se u čitavoj prostoriji.

Obično najviše govorimo o litografiji (koja se odnosi na korištenje svjetlosti za izlaganje uzorka na rezini), jer je to ono što je postalo najkompliciraniji korak u posljednjih nekoliko godina. Trenutna tehnika, koja uključuje upotrebu svjetla od 193 nm u tekućini (poznata i kao imerzijska litografija), više nije dovoljna za stvaranje najmanjih elemenata u čipu u jednom prolazu, tako da za čvorove poput 14 nm i 7 nm, višestruku ekspoziciju (ponekad naziva se dvostruko uzorkovanje ili čak četverostrano uzorkovanje). Ekstremni ultraljubičasti ili EUV kompleksnija je alternativa, ali ona koja bi mogla biti potrebna ako nastavimo dobivati ​​manje značajke na čipovima, a GlobalFoundries je u procesu instaliranja dva od ovih EUV strojeva, s prostorom za još dva. (Više detalja imat ću u sljedećem postu.) Budući da to nije spremno, za sada su svi čipovi napravljeni na GlobalFoundriesu (i doista, svi komercijalni čipovi koje ja znam bilo gdje napravljeni) proizvedeni s imerzijskom litografijom. Ali svi su koraci presudni i svaka greška u bilo kojem koraku vjerojatno će učiniti čips na rezini beskorisnim.

Sveukupno, trenutni čip može obuhvatiti do 80 slojeva, pa čak i više koraka dok vafli prolaze između različitih stupnjeva postupka, posebno ako se kreću naprijed-nazad između litografije i jetkanja u svakom koraku s višestrukim oblikovanjem (može potrajati mjesecima za proizvodnju tipičnog čipa vrhunskog klasa). To je fascinantan proces i drago mi je što sam ga vidio iz prve ruke.

U sljedećem postu usredotočit ću se više na opremu EUV koja je nedavno instalirana u tvornici, kao i na planove GlobalFoundriesa za buduće korake u procesu izrade čipova.

Zanima vas brzina vašeg širokopojasnog interneta? Testirajte sada!