Kako nastane čip: obisk globalfoundries

Vedno sem navdušen nad spoznavanjem, kaj je res potrebno, da naprave, ki jih jemljemo za samoumevne, in noben postopek, ki ga poznam, ni tako zapleten, zapleten ali pomemben kot izdelava procesorjev, ki napajajo telefone, računalnike in strežnike. ki vodijo naše vsakdanje življenje. Tako sem skočil na priložnost, da obiščem vodilno tovarno GlobalFoundries na Malti v New Yorku in vidim, kako se je v zadnjih nekaj letih razvil obrat za izdelavo čipov (ali fab).

To je neverjeten postopek - fab vključuje več kot 1400 naprednih orodij za izdelavo čipov, ki so vsi povezani, izdelava običajne rezine, ki vsebuje čipe, pa lahko traja do šest mesecev. Zelo me je navdušila vse večja zapletenost tega postopka in izjemna natančnost, ki je potrebna za izdelavo čipov, ki jih vsi uporabljamo.

Že prej, ko je bila v gradnji in ko je šele začel proizvajati svoje prve izdelke: procesorje, oblikovane za 32nm ali 28nm procesna vozlišča, sem že obiskal tovarno - znano kot Fab 8.

Rastlina je na zanimivi lokaciji: kampus Luther Forest Technology na Malti, približno pol ure severno od Albanyja. Država New York se že leta trudi, da bi v regijo prinesla več tehnologije, pri čemer so bila prizadevanja, vključno s podporo kolidžem Nanoscale znanosti in inženirstva (CNSE) Politehničnega inštituta SUNY in kompleksom Albany Nanotech, ki je eden najnaprednejših svetovnih čipov raziskovalne zmogljivosti, ki vključuje predstavnike GlobalFoundries, Samsung, IBM, številnih raziskovalnih univerz in vseh vodilnih proizvajalcev orodij za izdelavo žetonov. AMD je podpisal gradnjo tovarne v kompleksu; Ko je AMD leta 2009 prekinila svoje dejavnosti izdelave čipov, da bi postala GlobalFoundries (zdaj je v celoti v lasti Abu Dabijeve Mubadala Investment Company), je nova družba zgradila tovarno.

Na mojem zadnjem obisku pred skoraj šestimi leti je bila prva faza - ki je obsegala 210.000 kvadratnih metrov čistilnice za dejansko proizvodnjo - pravkar zagnana in delala zgodaj, medtem ko je bila faza 2 z dodatnimi 90.000 kvadratnimi metri v fazi gradnje. Na mestu je bilo 1.300 ljudi, vendar je bilo takrat izdelanih relativno malo izdelkov.

(Slika od GlobalFoundries)

Danes sta ti prvi fazi faza s samo 300 000 kvadratnimi čevlji (300 metrov široka na 1000 čevljev), dodatna faza 3 s 160.000 kvadratnimi čevlji pa je prav tako v polnem pogonu. Videla sem veliko aktivnosti in nastalo je veliko silicijevih rezin, napolnjenih s čipi.

Tom Caulfield, SVP in generalni direktor Fab 8, je poudaril, da je GlobalFoundries v New Yorku vložil veliko več kot prvotna zaveza. Ko je bil prvi načrt načrtovan, se je podjetje zavezalo za naložbo v višini 3, 2 milijarde ameriških dolarjev in neposredni številki 1200 ljudi za letno plačo v višini 72 milijonov dolarjev. Zdaj je, kot je dejal, podjetje dejansko vložilo več kot 12 milijard dolarjev in ima približno 3.300 zaposlenih in 345 milijonov dolarjev letnih plač. In to sploh ne šteje od 500 do 700 drugih posameznikov, ki delajo v pogonu, vendar so zaposleni v drugih subjektih, je opozoril, na primer tehniki, ki delajo pri prodajalcih orodij, kot so ASML, Applied Materials ali LAM Research.

GlobalFoundries upravlja tudi tako imenovano Fab 9 v Burlingtonu, Vermontu in Fab 10 v vzhodnem Fishkillu v New Yorku, ki so starejše tovarne, ki jih je pridobil od IBM-a. Podjetje ima velike fabrike tudi v Dresdnu v Nemčiji, kjer dela na svojem postopku FDX silicij na izolatorju; Chengdu, Kitajska; in v Singapurju. Na splošno družba pravi, da ima več kot 250 strank.

Caulfield je dejal, da je fab en vir za AMD-ove procesorje Ryzen, Radeon GPU-je in strežnike čipov Epyc, ima pa tudi desetine drugih strank.

GlobalFoundries je eno od štirih podjetij, ki izdeluje vrhunske logične čipe. Drugi so Intel, ki v prvi vrsti izdeluje čipe za lastno uporabo; Taiwan Semiconductor Manufacturing Corp (TSMC), pionirska livarna čipov, ki izdeluje čipe za številne različne stranke in je glavna konkurenca GlobalFoundries; in Samsung, ki malo počne oboje.

Znotraj Tovarne

Na tem obisku sem bil jaz in še nekaj drugih novinarjev ogled objekta in sem moral poslušati, kako se žetoni izdelujejo. Namesto da bi se začeli s čistilno sobo, kjer se čipi dejansko izdelujejo, se je ogled začel v "podfabu", ogromnem območju pod čistimi prostori, ki upravlja z opremo, potrebno za zagon orodij, ki izdelujejo sekance. Sem spadajo električni, mehanski, vodni in kemični sistemi.

John Painter, višji direktor objektov, ki je obiskal to območje, je pojasnil, da celotno spletno mesto vključuje več kot 70.000 kosov opreme, ki večinoma podpira manjša orodja za izdelavo sekancev v čistilnici. Skoraj vsa ta orodja je treba ohladiti in vsi delujejo bolje v predvidljivih temperaturah, pod določenimi pogoji vlažnosti in tlaka, zato je za nadzor okolja vloženega veliko truda. To je bolj zapleteno, ker se orodja nenehno osvežujejo, nekateri pa se premikajo, drugi pa izven objekta. Painter je pojasnil, da za podporno opremo na splošno potrebuje šestkrat več prostora kot za čistilno sobo.

Videli smo območja, ki obdelujejo ohlajeno očiščeno vodo, ki se uporablja v proizvodnji, in kemične gnojevke za stvari, kot je poliranje rezin. Fab ima zapletene zmogljivosti za spremljanje in nadzor nad temi sistemi - ki lahko merijo stvari v delih na trilijone, tako da lahko zaznajo morebitno puščanje v sistemu - kot tudi izpopolnjen sistem življenjske varnosti. Podfab ima strop s 30 metri, območje faze 2 pa vključuje mezzanin, s katerim bodo tehniki lažje dosegli vso opremo. V tem nadstropju je veliko ločenih površin s posameznimi kosi opreme (od skladiščnih prostorov za vodo in kemikalij do sistemov za spremljanje), pri čemer so na vrhu napeljani kilometri cevovodov s čisto sobo. Opazil sem, da se je velik del cevovodov dejansko podvojil s senzorji znotraj cevi, ki bi zaznali, ali je prišlo do puščanja.

Na mestu je tudi več drugih zgradb, vključno z osrednjo komunalno stavbo z večjimi kotli in hladilniki, sistemi za razsuti tovor itd.

Kot celota tovarna porabi 80 megavatov moči, ki jo napajajo dvojni 150.000 voltni vodi. Ključnega pomena je, da je moč neprekinjena, saj lahko katera koli sprememba moti proizvodnjo in morda poškoduje rezine, ki se obdelujejo. Zato ima objekt rezervni UPS sistem, vztrajnike in dizelski generator.

Zanimalo me je predvsem, koliko prostora zahteva nova oprema EUV (o čemer bom govoril kasneje). Tudi v spodnjem nadstropju ta oprema zahteva ogromno površino, vključno z lastno miniaturno čistilno sobo, kjer orodja proizvajajo visokointenzivni laserski vir svetlobe, ki se skozi tla upogne do orodja EUV v čistilnici. Sistem EUV je potreboval nove hladilne in električne sisteme, skupaj z izjemno čisto vodo, posebnimi rezervoarji in cevovodi, ki zmanjšujejo onesnaženje z delci.

Da bi sistem EUV vgradili v stavbo, je bila prva plošča najprej zaprta. V strop je bil nameščen 10-tonski žerjav, nato pa je na strani stavbe zarezala luknja, da bi premikali masiven nov sistem v notranjost. Temu procesu je deloma pomagal sistem 3D-računalniškega oblikovanja, ki je uporabljal skenirane slike, ki so zajemale postavitev obstoječe opreme do milimetrske ravni.

Do Čistilnice

(Slika od GlobalFoundries)

Da bi obiskali čisto sobo, smo se morali obleči v "zajčke obleke" (glej mojo sliko na vrhu te objave), ki so zasnovane tako, da zmanjšajo število delcev na območju in tvegajo, da bi takšen delec motil rezine obravnavati.

Ena stvar, ki sem jo opazil, je, da je na tleh v čistih prostorih ogromno strojev (po podatkih GlobalFoundries več kot 1.400) - ni veliko ljudi.

Christopher Belfi, glavni inženir za proizvodne postopke, ki nam je predstavil ogled čistilnice, je pojasnil, da je cilj imeti na tleh nič operaterjev. Edini ljudje, ki ga vidite, bodisi izvajajo namestitev ali vzdrževanje orodij, je dejal Belfi.

(Slika od GlobalFoundries)

Namesto tehnikov, ki premikajo rezine iz enega orodja v drugega, se plošče preusmerijo med orodja prek enotnih podstavkov za odpiranje spredaj ali FOUP-ov, kot jih imenujejo, od katerih ima 25 rezin - in lahko jih vidite, kako se premikajo po celotni čistilnici. Skupno je 550 vozil na 14 miljah premikanja tirov in shranjevanja rezin med orodji. Prav tako premikajo mrežice (čipske maske, ki vodijo svetlobo za vsako plast izdelave sekancev) med osrednjim skladiščnim prostorom do orodij, kjer se bodo uporabljali. Belfi ne bo zmanjšal potrebnega števila ljudi, saj je orodje še vedno treba nadzorovati, vendar zmanjšuje čas in napake. Opozoril je, da je v vsakem trenutku na desetine izdelkov na različnih stopnjah izdelave, za več deset kupcev, vsak izdelek pa ima svoj nabor mrežic in svoj poseben postopek, ki uporablja različna orodja. Belfi je Fab 8 označil za "najbolj avtomatizirano fab na svetu." Seveda je tudi eden najnovejših.

Nekateri deli imajo rumeno luč, saj je bilo v enem trenutku v zgodovini proizvodnega procesa potrebno zagotoviti, da rezina ni izpostavljena običajni svetlobi. Vendar v teh dneh plošče sploh niso izpostavljene zunanji svetlobi, zato je to manj potrebno.

Pri izdelavi rezin je vključenih veliko korakov in vsak ima svoje območje čiste sobe: vsaditev (dodajanje ionov siliciju), kemično mehansko načrtovanje ali CMP (poliranje rezin), difuzija, nanašanje tankega filma, litografija in jedkanica. Metrološka orodja, ki se uporabljajo za merjenje funkcij čipov na vsakem koraku na poti, so nameščena po celotnem prostoru.

O litografiji se najpogosteje pogovarjamo (kar se nanaša na uporabo svetlobe za izpostavitev vzorca na rezini), saj je to tisto, kar je postalo najbolj zapleten korak v zadnjih nekaj letih. Trenutna tehnika, ki vključuje uporabo 193 nm svetlobe v tekočini (znana kot potopna litografija), ni več dovolj dobra, da v enem samem prehodu ustvari najmanjše elemente v čipu, torej za vozlišča, kot sta 14nm in 7nm, večkratna osvetlitev (včasih zahtevano dvojno vzorčenje ali celo štiripasovnica). Extreme ultravijolični ali EUV je bolj zapletena alternativa, vendar bo morda potrebna, če bomo še naprej dobili manjše funkcije na čipih, GlobalFoundries pa že namešča dva od teh naprav EUV, s prostorom za še dva. (Več podrobnosti bom imel v naslednji objavi.) Ker to še ni pripravljeno, so za zdaj vsi čipi, narejeni na GlobalFoundries (in resnično vsi komercialni čipi, ki jih poznam kjer koli), izdelani s potopno litografijo. Toda vsi koraki so ključni in vsaka napaka v katerem koli koraku bo žetone na rezini verjetno neuporabna.

Skupaj lahko trenutni čip vključuje do 80 slojev in še več korakov, ko rezine potekajo med različnimi koraki postopka, še posebej, če se med litografijo in jedkanjem v vsakem koraku z več vzorci gibljejo naprej in nazaj (lahko traja mesece za izdelavo tipičnega čipa višjega cenovnega razreda). To je fascinanten postopek in veseli me, da sem ga moral videti iz prve roke.

V svoji naslednji objavi se bom bolj osredotočil na opremo EUV, ki je bila pred kratkim nameščena v tovarni, in na načrte GlobalFoundries za prihodnje korake v postopku izdelave žetonov.

Želite vedeti o hitrosti širokopasovnega interneta? Preizkusite zdaj!