Cum se produce un cip: vizitarea globalfoundries

Sunt întotdeauna fascinat să aflu despre ce este cu adevărat nevoie pentru a face dispozitivele pe care le luăm de la capăt și niciun proces pe care îl știu nu este la fel de complex, complicat sau important ca transformarea procesoarelor care alimentează telefoanele, computerele și serverele. care ne duc viața de zi cu zi. Așa că am sărit cu șansa de a vizita fabrica de vârf a GlobalFoundries din Malta, New York, pentru a vedea cum a evoluat instalația de fabricație de cipuri (sau fab) în ultimii ani.

Este un proces uimitor - fabulul include peste 1.400 de instrumente avansate pentru confecționarea cipurilor, toate conectate între ele și realizarea unei napolitane tipice care conține cipuri poate dura până la șase luni. Am fost foarte impresionat de complexitatea din ce în ce mai mare a acestui proces și de precizia extraordinară necesară pentru a realiza cipurile pe care le folosim cu toții.

Am vizitat fabrica - cunoscută sub numele de Fab 8 - înainte, când era în construcție și când tocmai începuse să producă primele sale produse: procesoare proiectate pentru nodurile de proces 32nm sau 28 nm.

Uzina se află într-o locație interesantă: Campusul Tehnologic Forestier Luther din Malta, la aproximativ jumătate de oră nord de Albany. De ani buni, statul New York a făcut eforturi pentru a aduce mai multă tehnologie în regiune, cu eforturi inclusiv sprijin pentru colegiile SUNY Institutul Politehnic de Colegii de Știință și Inginerie Nanoscală (CNSE) și Complexul Albany Nanotech, unul dintre cele mai avansate cipuri din lume facilități de cercetare, care include reprezentanți de la GlobalFoundries, Samsung, IBM, multe universități de cercetare și toți producătorii de vârf de instrumente de fabricare a cipurilor. AMD a semnat pentru a construi o fabrică în complex; când AMD și-a întrerupt operațiunile de producere a cipurilor pentru a deveni GlobalFoundries în 2009 (acum deținută în totalitate de Mubadala Investment Company din Abu Dhabi), noua companie a construit fabrica.

În ultima vizită în urmă cu aproape șase ani, prima fază - care a inclus o cameră curată de 210.000 de metri pătrați pentru fabricație reală - a fost în funcțiune și a făcut producție timpurie, în timp ce faza 2, cu încă 90.000 de metri pătrați, era în construcție.. Existau 1.300 de persoane pe site, dar relativ puține produse se făceau la acel moment.

(Imagine din GlobalFoundries)

Astăzi, primele două faze sunt o cameră curată de 300.000 de metri pătrați (300 de metri lățime cu 1000 de metri lungime) și o fază 3 suplimentară de 160.000 de metri pătrați este, de asemenea, în plină funcționare. Am văzut multă activitate și au fost produse multe napolitane de silicon umplute cu chipsuri.

Tom Caulfield, SVP și director general al Fab 8, a subliniat că GlobalFoundries a investit mult mai mult în statul New York decât angajamentul său inițial. Atunci când fabrica a fost planificată prima dată, compania s-a angajat să investească 3, 2 miliarde de dolari și un număr direct de 1.200 de persoane pentru o salarizare anuală de 72 de milioane de dolari. Acum, a spus el, compania a investit de fapt peste 12 miliarde de dolari și are aproximativ 3.300 de angajați și o salarizare anuală de 345 milioane dolari. Și asta nu contează nici măcar cei 500 până la 700 de persoane care lucrează la fabrică, dar sunt angajați de alte entități, a menționat el, cum ar fi tehnicienii care lucrează pentru furnizorii de instrumente precum ASML, Applied Materials sau LAM Research.

De asemenea, GlobalFoundries operează ceea ce acum numește Fab 9 în Burlington, Vermont și Fab 10 în East Fishkill, New York, care sunt fabrici mai vechi pe care le-a achiziționat de la IBM. De asemenea, compania are fabule majore în Dresda, Germania, unde lucrează la procesul său FDX de siliciu-izolator; Chengdu, China; iar în Singapore. În general, compania spune că are peste 250 de clienți.

Caulfield a spus că fabrica este o sursă unică pentru procesoarele Ryzen ale AMD, GPU-urile Radeon și cipurile de server Epyc, dar are și alte zeci de clienți.

GlobalFoundries este una dintre cele patru companii care produce cipuri logice de vârf. Celelalte sunt Intel, care face în primul rând cipuri pentru uz propriu; Taiwan Semiconductor Manufacturing Corp (TSMC), pionieria de turnare a cipurilor, care face cipuri pentru mulți clienți diferiți și este principala concurență a GlobalFoundries; și Samsung, care face puțin din ambele.

În interiorul fabricii

În cadrul acestei vizite, eu și câțiva alți jurnaliști am primit un tur al instalației și am ajuns să auzim despre cum se fabrică jetoanele. În loc să înceapă cu camera de curățenie unde sunt fabricate jetoanele, turul a început în „sub-fab”, zona vastă de sub camera de curățenie care se ocupă de echipamentele necesare pentru a rula instrumentele care fac cipurile. Aceasta include sistemele de manipulare electrice, mecanice, de apă și chimice.

John Painter, directorul principal al facilităților, care a făcut turul acestei zone, a explicat că întregul site include peste 70.000 de echipamente, o mare parte dintre acestea sprijinind cele mai mici instrumente de fabricare a cipurilor din camera curată. Aproape toate aceste instrumente trebuie răcite și toate funcționează mai bine la temperaturi previzibile, în anumite condiții de umiditate și presiune, astfel încât se depune eforturi semnificative pentru controlul mediului. Acest lucru este făcut mai complex deoarece instrumentele sunt în mod constant reîmprospătate, unele dintre ele mutându-se și altele din afara instalației. Pictorul a explicat că, în general, este nevoie de șase ori mai mult spațiu pentru echipamentele de asistență decât pentru camera curată.

Am văzut zone care prelucrează apa purificată răcită folosită la fabricație și suspensii chimice pentru lucruri precum lustruirea napolitelor. Fabrica are facilități complexe de monitorizare și controlare a acestor sisteme - care sunt capabile să măsoare lucrurile în părți pe trilion, astfel încât pot detecta orice scurgere a sistemului - precum și un sistem sofisticat de siguranță a vieții. Fabrica are un plafon de 30 de metri, iar zona de faza 2 include un mezanin pentru a facilita tehnicienii să ajungă la toate echipamentele. Acest etaj conține multe zone separate cu echipamente individuale (de la zone de depozitare a apei și a substanțelor chimice până la sisteme de monitorizare), cu conducte de kilometri care îl conectează la camera curată de mai sus. Am observat că o mare parte a conductelor a fost dublată, cu senzori în conducte pentru a detecta dacă a existat o scurgere.

Există, de asemenea, o serie de alte clădiri, inclusiv o clădire de utilități centrale cu cazane și răcitoare mai mari, sisteme de deșeuri în vrac și etc.

În ansamblu, fabrica folosește 80 megawati de putere, care este furnizată de linii duble de 150.000 volți. Este esențial faptul că puterea este continuă, deoarece orice variație ar putea perturba fabricația și poate deteriora plafele procesate. Prin urmare, instalația are un sistem UPS de rezervă, volane și un generator diesel.

M-a interesat în special cantitatea de spațiu necesară noului echipament EUV (despre care voi discuta mai târziu). Chiar și la subsol, acest echipament necesită o zonă masivă, inclusiv propria cameră curată în miniatură, unde uneltele produc o sursă de lumină laser de intensitate înaltă, care se apleacă prin podea către instrumentul EUV din camera curată. Sistemul EUV în sine a necesitat noi sisteme de răcire și electricitate, împreună cu apă ultra-pură și rezervoare speciale și conducte care reduc contaminarea particulelor.

Pentru a introduce sistemul EUV în clădire, fabrica principală a fost închisă pentru prima dată. În tavan a fost instalată o macara de 10 tone și apoi o gaură în partea laterală a clădirii pentru a muta masiv noul sistem în interior. Acest proces a fost ajutat în parte de un sistem de proiectare a calculatorului 3D care a folosit imagini scanate care au captat plasarea echipamentelor existente până la nivelul milimetrului.

Până la Cleanroom

(Imagine din GlobalFoundries)

Pentru a vizita însuși camera curată, a trebuit să ne îmbrăcăm în „costume de iepuras” (vezi poza mea din partea de sus a acestui post), concepute pentru a reduce numărul de particule din zonă și riscul ca o astfel de particulă să perturbe placa. prelucrare.

Un lucru pe care l-am observat este că, deși există o mulțime de mașini pe podeaua camerei curate - mai mult de 1.400, potrivit GlobalFoundries - nu există prea mulți oameni.

Christopher Belfi, un inginer principal pentru operațiuni de fabricație, care ne-a oferit turul camerei curate, a explicat că obiectivul este să avem zero operatori pe podea. Singurii oameni pe care îi vedeți fac fie instalarea, fie întreținerea instrumentelor, a spus Belfi.

(Imagine din GlobalFoundries)

În loc de tehnicienii care deplasează napolitele de la un instrument la altul, napolitele sunt dirijate între instrumente prin intermediul podurilor deschise frontale, sau FOUP-uri, așa cum le numesc, fiecare dintre acestea dețin 25 de napolitane - și le puteți vedea pe acestea în mișcare deasupra capului în toată camera curată. În total, există 550 de vehicule pe 14 mile de trasee care se deplasează și depozitează napole între scule. Acestea deplasează, de asemenea, reticulele (măștile de cipuri care ghidează lumina pentru fiecare strat de confecționare a cipurilor) între o instalație de stocare centrală către instrumentele unde vor fi utilizate. Acest lucru nu reduce numărul de persoane necesare, a spus Belfi, deoarece instrumentele încă trebuie controlate, dar reduc timpul și erorile. El a menționat că, la un moment dat, zeci de produse sunt în diferite etape de fabricație, pentru câteva zeci de clienți, și fiecare produs are propriul set de reticule și propriul proces specific care folosește instrumente diferite. Belfi a numit Fab 8 „cea mai automatizată fabulă din lume”. Desigur, este și una dintre cele mai noi.

O parte din fabrică are o lumină galbenă, deoarece la un moment dat în istoria procesului de fabricație a fost important să vă asigurați că placa nu a fost expusă la lumina normală. Cu toate acestea, în aceste zile napolitele nu sunt deloc expuse la lumina exterioară, așa că este mai puțin necesar.

Există multe etape implicate în confecționarea unei placi și fiecare are propria sa zonă de curățare: implant (adăugarea de ioni la siliciu), planificare mecanică chimică sau CMP (lustruirea oblicului), difuzie, depunere de film subțire, litografie și etch. Instrumentele de metrologie utilizate pentru măsurarea caracteristicilor cipurilor la fiecare pas de-a lungul drumului sunt amplasate în întreaga fabrică.

Avem tendința să vorbim cel mai mult despre litografie (care se referă la utilizarea luminii pentru a expune un model pe placă), deoarece acesta a devenit cel mai complicat pas din ultimii ani. Tehnica actuală, care presupune utilizarea unei lumini de 193 nm într-un lichid (cunoscut sub numele de litografie de imersiune), nu mai este suficient de fină pentru a crea cele mai mici elemente dintr-un cip într-o singură trecere, deci pentru noduri precum 14nm și 7nm, expuneri multiple (uneori sunt numite patterning dublu sau chiar patru patterning). Extreme ultraviolet sau EUV este o alternativă mai complexă, dar una care poate fi necesară dacă vom continua să obținem caracteristici mai mici pe cipuri, iar GlobalFoundries este în proces de instalare a două dintre aceste echipamente EUV, cu încă două spații. (Voi avea mai multe detalii în următoarea postare.) De vreme ce nu este gata, deocamdată toate cipurile realizate la GlobalFoundries (și, într-adevăr, toate cipurile comerciale pe care le știu făcute oriunde) sunt produse cu litografie cu imersiune. Dar toți pașii sunt cruciali și orice eroare la orice pas va face ca jetoanele să fie inutile.

În total, un cip curent poate implica până la 80 de straturi și chiar mai mulți pași pe măsură ce napolitane trec între diferitele etape ale procesului, în special pe măsură ce merg înainte și înapoi între litografie și gravură în fiecare etapă de modelare multiplă (poate dura luni pentru a produce un cip tipic high-end). Este un proces fascinant și unul mă bucur că am văzut de prima dată.

În următoarea mea postare, mă voi concentra mai mult asupra echipamentelor EUV care au fost instalate recent în fabrică, precum și asupra planurilor GlobalFoundries pentru pașii viitori în procesul de fabricare a cipurilor.

Ești curios despre viteza ta de internet în bandă largă? Testează-l acum!